金屬材料的斷裂
金屬在外加載荷的作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生斷裂。
斷裂是裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。（圖）
1.1. 斷裂的類型
根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。
韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。
脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。
韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴(kuò)散的情況不同。
圖5-1 韌性斷裂和脆性斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的比較
韌性斷裂和脆性斷裂只是相對(duì)的概念，在實(shí)際載荷下，不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、環(huán)境等條件的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的斷裂。
1.2. 斷裂的方式
根據(jù)斷裂面的取向可分為正斷和切斷。
正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向垂直，一般為脆斷，也可能韌斷。
切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向呈45°，為韌斷
1.3. 斷裂的形式
裂紋擴(kuò)散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。
穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部，韌斷也可為脆斷。
晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，脆斷。
1.4. 斷口分析
斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因，擴(kuò)散的途徑，擴(kuò)散過程及影響裂紋擴(kuò)散的各內(nèi)外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進(jìn)構(gòu)件設(shè)計(jì)、提高材料性能、改善制作工藝提供依據(jù)。
斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。
1.4.1. 宏觀斷口分析
斷口三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇。 
纖維區(qū)：呈暗灰色，無金屬光澤，表面粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。
放射區(qū)：宏觀特征是表面呈結(jié)晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴(kuò)散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。
剪切唇：宏觀特征是表面光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。
1.4.2. 微觀斷口分析
自學(xué)
2. 脆性破壞事故分析
脆性斷裂有以下特征：
（1） 脆斷都是屬于低應(yīng)力破壞，其破壞應(yīng)力往往遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。
（2） 一般都發(fā)生在較低的溫度，通常發(fā)生脆斷時(shí)的材料的溫度均在室溫以下20℃。
（3） 脆斷發(fā)生前，無預(yù)兆，開裂速度快，為音速的1/3。
（4） 發(fā)生脆斷的裂紋源是構(gòu)件中的應(yīng)力集中處。
防止脆斷的措施
（1） 選用低溫沖擊韌性好的鋼材。
（2） 盡量避免構(gòu)件中應(yīng)力集中
（3） 注意使用溫度。
3. 韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度
為了確定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。如果把一組有缺口的金屬材料試樣，在整個(gè)溫度區(qū)間中的各個(gè)溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。
低碳鋼典型的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度。隨著溫度的降低，材料的沖擊值下降，同時(shí)在斷裂面上的結(jié)晶狀斷面部分增加，亦即材料的韌性降低，脆性增加。
有幾種方法
（1） 沖擊值降低至正常沖擊值的50～60%
（2） 沖擊值降至某一特定的、所允許的最低沖擊值時(shí)的溫度。
（3） 以產(chǎn)生最大與最小沖擊值平均時(shí)的相應(yīng)溫度
（4） 斷口中結(jié)晶狀斷面占面積50%時(shí)的溫度
對(duì)于厚度在40mm以下的船用軟鋼板，夏比V型缺口沖擊能量為25.51J/cm2時(shí)的溫度作為該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。
4. 無塑性溫度
韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度是針對(duì)低碳鋼和低碳錳鋼，其它鋼材，無法進(jìn)行大量試驗(yàn)。
依靠其它試驗(yàn)方法，定出該材料的“無塑性溫度”NDT
（1） 爆炸鼓脹試驗(yàn)
正方的試樣板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上鋸一缺口。在試樣上方爆炸，根據(jù)試樣破壞情況判斷是否塑性破壞。
平裂，凹裂，鼓脹撕裂
（2） 落錘試驗(yàn) 
5. 金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的條件
5.1. 溫度
任何一種斷裂都具有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，屈服強(qiáng)度和表征裂紋失穩(wěn)擴(kuò)散的臨界斷裂強(qiáng)度。
溫度高，原子運(yùn)動(dòng)熱能大，位錯(cuò)源釋放出位錯(cuò)，移動(dòng)吸收能量；溫度低反之。
5.2. 缺陷
5.2.1. 材料韌性
裂紋尖端應(yīng)力大，韌性好發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，限制裂紋進(jìn)一步擴(kuò)散。
5.2.2. 裂紋長(zhǎng)度
裂紋越長(zhǎng)，越容易發(fā)生脆性斷裂。
5.2.3. 缺陷尖銳程度
越尖銳，越容易發(fā)生脆性斷裂。
5.3. 厚度
鋼板越厚，沖擊韌性越低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。
原因：
（1）越厚，在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大，使約束應(yīng)力增加，在鋼板厚度范圍內(nèi)形成平面應(yīng)變狀態(tài)。
（2） 冶金效應(yīng)，厚板中晶粒較粗大，內(nèi)部產(chǎn)生的偏析較多。
5.4. 加載速度
低強(qiáng)度鋼，速度越快，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。
6. 金屬材料的脆化現(xiàn)象
分兩類：
（1） 在一定溫度條件下出現(xiàn)的脆性，溫度條件改變后，脆性自行消失，或者在一定溫度條件下，經(jīng)一定時(shí)間后出現(xiàn)的脆性。
這種情況下，金屬的組織變化不明顯。有冷脆性，熱脆性，紅脆性及回火脆性。
（2）由于應(yīng)力的反復(fù)作用，介質(zhì)的浸蝕以在高溫下長(zhǎng)期工作后，金屬組織改變引起的脆化現(xiàn)象。這種脆性無法消除或要通過一定的特殊方法消除。如苛性脆化，氫脆，熱疲勞，石墨化。
6.1. 冷脆性
冷脆性：金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的沖擊值明顯降低的現(xiàn)象。
影響因素：化學(xué)成分
（1） 含碳量
（2） 錳
（3） 鎳
（4） 磷
6.2. 熱脆性
熱脆性：某些鋼材長(zhǎng)時(shí)間停留在400～500℃溫度區(qū)間再冷卻至室溫，其沖擊值有明顯下降。
影響因素：
（1） 化學(xué)成分
含C量，鉻錳鉬磷等
（2） 保溫時(shí)間
不同鋼產(chǎn)生熱脆性所需的保溫時(shí)間不同
（3） 熱處理
調(diào)質(zhì)處理可阻止熱脆性產(chǎn)生。
6.3. 紅脆性
含S較多的鋼中，在800～900℃以上呈現(xiàn)較大脆性。S化物以網(wǎng)關(guān)分布在晶界上。
消除方法：
（1） 長(zhǎng)時(shí)間高溫退火，使網(wǎng)狀S化物變?yōu)榍驙睢?/span>
（2） 加入錳，硫化錳以點(diǎn)狀，球狀存在于晶界上。
6.4. 回火脆性
對(duì)于一般鋼回火可提高沖擊韌性。
但某些鋼在回火后，沖擊韌性反而降低。回火脆性。
6.4.1. 第一類回火脆性
發(fā)生在合金結(jié)構(gòu)鋼中。但某些鋼在250～400℃回火后，沖擊韌性反而降低。實(shí)際遇到機(jī)會(huì)少。
6.4.2. 第二類回火脆性
在450～600℃長(zhǎng)時(shí)間回火或在更高溫度（600～700℃）回火后，出現(xiàn)常溫沖擊韌性下降。
再次回火消除
或加入鉬鎢防止。
對(duì)于一般鋼回火可提高沖擊韌性。
6.5. 苛性脆化
苛性脆化：金屬材料的局部高應(yīng)力區(qū)與具有一定濃度的氫氧化鈉溶液相接觸而發(fā)生的電化學(xué)晶間腐蝕脆化現(xiàn)象稱為苛性脆化。
材料在高應(yīng)力作用下，晶粒本體與晶界產(chǎn)生電位差，當(dāng)與具有一定濃度的氫氧化鋼溶液相接觸，晶界部位的鐵離子將進(jìn)入溶液中，與溶液中的氫氧根離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
如果溶液中的氫氧化鈉濃度較高，溶液中的氫氧根負(fù)離子較多，促使晶界部位的鐵離子大量進(jìn)入溶液，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而形成晶間裂紋，導(dǎo)致苛性脆化。
材料產(chǎn)生苛性脆化必須具備三個(gè)條件：
（1） 在材料中需存在較高的局部應(yīng)力，對(duì)于碳素鋼高達(dá)250MPa ；
（2） 需具有較高濃度的氫氧化鋼溶液與材料的局部高應(yīng)力區(qū)相接觸，并且在溶液中需具有能加速反應(yīng)的催化劑；
（3） 需具有一定溫度。
在鍋爐的鉚接或脹接部位最易發(fā)生苛性脆化。
應(yīng)力： 工作應(yīng)力+聯(lián)接應(yīng)力+附加應(yīng)力
化學(xué)成分：鉚接或脹接處鍋水滲漏，濃縮
溫度：低壓鍋爐為200℃，中壓鍋爐為250℃，高壓鍋爐為300℃
6.6. 氫脆
金屬在外加載荷的作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生斷裂。
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