失效分析基礎知識丨金屬斷裂的類型
根據不同的特征將斷裂分為以下幾類。
1．韌性斷裂與脆性斷裂斷裂
按照材料斷裂前所產生的宏觀塑性變形量大小,斷裂類型通常分為韌性斷裂和脆性
（1）韌性斷裂
韌性斷裂又稱為延性斷裂或塑性斷裂,斷裂的特征是斷裂前發生明顯的宏觀塑性變形。在工程結構中,韌性斷裂一般表現為過載斷裂,即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度或抗拉強度而發生的斷裂。韌性斷裂有一個緩慢的撕裂過程,在裂紋擴展過程中不斷消耗能量,斷裂面一般平行于最大切應力方向并與主應力成45°角,用肉眼或低倍顯微鏡觀察時其斷口呈暗灰色、纖維狀,如低碳鋼拉伸試樣的杯狀斷口。纖維狀是塑性變形過程中微裂紋不斷擴展和相互連接造成的,而暗灰色澤是纖維斷口表面對光反射能力很弱所致。
中、低強度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷口是典型的韌性斷裂,其宏觀斷口呈杯錐形,由纖維區、放射區和剪切唇三個區域組成,這三個區域實際上是裂紋形成區、裂紋擴展區和剪切斷裂區,通常稱它們為斷口三要素,如圖1所示。
圖1 單向斷口三個區域的示意圖
對于同一種材料,韌性斷口三區域的形態、大小和相對位置,因試樣形狀、尺寸和金屬材料的性能以及試驗溫度、加載速率和受力狀態不同而變化。一般來說,材料強度提高,塑性降低,則放射區比例增大;試樣尺寸加大,放射區增大明顯,而纖維區變化不大。因此,試樣塑性的好壞根據這三區域的比例就可以確定。如放射區較大,則材料的塑性低,因為這個區域是裂紋快速擴展部分,伴隨的塑性變形也小。反之,對于塑性好的材料,必然表現為纖維區和剪切唇占很大比例,甚至中間的放射區可能消失。
(2)脆性斷裂
脆性斷裂的特征是斷裂前基本上不發生明顯的塑性變形,沒有明顯征兆,因而危害性很大。脆性斷裂時承受的工作應力很低,一般低于材料的屈服強度,因此,人們把脆性斷裂又稱為低應力脆性斷裂。脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現,而面心立方金屬材料只有在特定的條件下才會出現脆性斷裂。
脆性斷裂的裂紋源總是在內部或表面的宏觀缺陷處,溫度降低時脆性斷裂傾向增大。脆性斷裂的斷口平齊而光亮,常呈結晶狀或放射狀,且與正應力方向垂直。這些放射狀條紋匯聚于一個中心,這個中心區域就是裂紋源,斷口表面越光滑,放射條紋越細,這是典型的脆性斷裂形貌。光滑圓形試樣的放射區一般都是從某邊緣處起始而遍布整個斷面,如圖2所示。如果是無缺口的板狀矩形拉伸試樣,則其放射區呈人字形花樣,人字的尖端指向裂紋源,如圖3所示。
圖2 脆性斷口宏觀形貌
圖3 板狀矩形試樣脆性斷口形貌示意圖
實際多晶體金屬斷裂時,主裂紋向前擴展,其前沿可能形成一些次生裂紋,這些裂紋向后擴展借低能量撕裂與主裂紋連接便形成人字紋。
通常,脆性斷裂前也產生微量塑性變形。一般規定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%(反映微量的均勻塑性變形,因為脆性斷裂沒有縮頸形成)者為脆性斷裂;反之,大于5%者為韌性斷裂。由此可見,金屬材料的韌性與脆性是根據一定條件下的塑性變形量來規定的。條件改變,材料的韌性與脆性行為也隨之變化。
2．穿晶斷裂與沿晶斷裂
多晶體金屬斷裂時,裂紋擴展的路徑可能是不同的。根據裂紋擴展路徑,金屬的斷裂可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂的裂紋穿過晶內,沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴展,如圖4、圖5所示。穿晶斷裂和沿晶斷裂有時可以同時發生。
圖4 穿晶斷裂
圖5 沿晶斷裂
3.正斷與切斷
根據斷裂面取向,可將金屬斷裂分為正斷和切斷兩種。
正斷與切斷如圖6所示。若斷裂面取向垂直于最大正應力,則為正斷;若斷裂面取向與最大切應力方向相一致,而與最大正應力方向約成45°角,則為切斷,拉伸時斷口上的剪切唇就是這種斷裂。解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂為正斷,塑性變形不受約束或約束較小的情況下的斷裂位切斷。
圖6 正斷與切斷
此外，還可按照受力狀態（拉、扭、剪、沖擊、疲勞等）和環境介質不同（低溫、高溫、應力腐蝕等）對金屬材料類型進行分類，見下表：
文章來源：機械裝備缺陷與失效分析
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