最新低应力脆断
低应力脆断
题目：
举出一机器零件在使用过程中由于低温因素而产生低应力脆断的实例，分析断口特征，断裂类型并提出改善其性能的措施。
关于低温低应力脆断问题
在实践中会碰到各种结构或零件的断裂问题，例如桥梁、各种机械和液化气罐等的脆裂，这些断裂事故又多发生在较低的温度.分析研究发生这些事故的原因、影响因素及其解决办法就属于目前关于低温低应力脆断。
对低温低应力脆断危害性的了解，举几个实例，第二次世界大战时美国建造的2600艘轮船，其中就有145艘断成两截，700艘严重损坏，有的甚至是在零下几度停泊在码头时就自动断成两截。1944年前后，美国的克利夫兰发生的球形液态天燃气储罐的脆裂事故，一次造成128人死亡、680万美元的损失。苏联亚库茨克地区1960年仅由于冬季汽车车架、悬挂部件等的脆断使运输能力减少约1900万吨·公里，相当于损失200万卢布。1961年亚库茨克的一个挖掘船托拉斯由于低温脆断致使停工T300小时，相当于亏损200万卢布。据不完全统计，我国东北地区大兴安岭林管局每年由于金属材料低温失效的损失，相当于人民币一700多万元。
一、“低温”问题
由于温度的降低会完全改变材料的断裂性质，因此在研究金属材料低温低应力脆断问题时，首先要明确什么是“低温”。一般认为零度以下或更低的温度才算低温。对于金属材料而言，低温的划分不应是绝对的，应根据某种金属材料及其状态的不同而不同，一般应以金属材料本身是否处于冷脆状态来判别是否属于低温。
“体心立方或铁素体合金在某一温度范围内冲击试验时断裂行为会发生本质的改变。在高于该温度范围，冲击试样以剪切机理断裂，并吸收大量的能。在低于该温度范围时，冲击试样以解理机理发生脆断，并吸收极少量的能.”从图1中可看出，冲击值随着试验温度的降低而在某一温度范围内出现突然下降的倾向，而且断裂特性也由韧性断裂变为脆性断裂。
断裂的类型——精选推荐
断裂的类型
根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂:断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂:断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐金属探伤仪，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
图1-1韧性断裂和脆性断裂时裂纹扩展的比较
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可
能发生脆性断裂;同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
2.材料的脆性断裂
2.1金属材料产生脆性磁粉探伤仪断裂的条件
(1)温度:任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩
散的临界断裂强度。温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收
能量;温度低反之。
(2)厚度:钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。
原因:越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内
部产生的偏析较多。
(3)加载速度:低强度钢，速度越快，韧-脆性转变温度降低。
(4)缺陷:材料韧性，裂纹尖端应力超声波测厚仪大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。裂纹长度，裂纹越长，越容易发生脆性断裂。缺陷尖锐程度，越尖锐，越容易发生脆性断裂。
2.2脆性破坏事故分析
脆性断裂有以下特征:
(1)脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。(2)一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。
(3)脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。(4)发生脆断的裂纹源
材料的韧性及断裂力学简介
第二节材料的韧性及断裂力学简介
一、低应力脆断及材料的韧性
人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中，发现了一些它们的共同特点：
1.通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的；
2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下；
3.脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等；
4.厚截面、高应变速率促进脆断。
由此，人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足，试图提出新的性能指标和安全判据，找到防止脆断的新的设计方法。
传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量E、屈服极限σs、抗拉强度σb，而塑性指标延伸率δ和面收缩率φ在设计中只是参考数据，通常还会考虑应力集中现象，即使如此，设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生，这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能指标还不能完全反映材料抵抗脆断的发生。经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标——韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的太小，它是材料强度和塑性的综合反映。
例如图l-2为球墨铸铁和低碳钢的拉伸曲线，可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性，即
图中可见，虽然球墨铸铁的抗拉强度σb比低碳钢高，但其断裂时的塑性应变εp确远较低碳钢小，综合起来看，低碳钢的韧性高。
图1-2 球铁和低碳钢拉伸曲线表示的韧性
材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方法已经规范化。具体方法是将图1-3所示的缺口试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试
金属脆性断裂
3. 晶界脆性断口
晶界脆性断口包括回火脆性断口、氢脆断 口、应力腐蚀断口、淬裂断口，由脆性析出相 在晶界上的析出而形成的晶界断口等。
晶界脆性断口的宏观形貌的基本特征为小 刻面状或粗瓷状；断裂前没有明显塑性变形， 断口附近没有颈缩现象；断口一般与正应力垂 直，断口表面平齐，边缘没有剪切唇。
对大多数金属材料的断裂过程来说，都经历 了裂纹的萌生与扩展两个阶段。对不同的断裂 类型，其裂纹萌生与扩展机理及特征并不相同。 可以说，对断裂的研究，人们主要关注的是断 裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据 对断裂过程的认识制订合理的措施，实现有效 的断裂控制。
金属脆性断裂会造成重大的经济损失，甚至 人员伤亡，因此，脆性断裂特别受到人们的关 注。为了对断裂有个全面了解，我们首先介绍 断裂的类型。
根据环境不同又分为低温冷脆断裂、高温蠕 变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触 疲劳则为一种不完全断裂。
常用的断裂分类方法及其特征如表4-2所示。
由于脆性断裂是一种“爆发病”，常导致灾 难性后果，而绝大多数的断裂又因疲劳而引起 ，故本章着重介绍脆性断裂与疲劳失效。
4.2 脆性断裂失效现象及特征
➢ 4.2.1 脆性断裂失效现象 ➢ 4. 2. 2 脆性断口宏观形貌特征 ➢ 4.2.3 脆性断口微观形貌特征
材料性能断裂力学与断裂韧性
K1 K1crim K1C
K1 临界值平面应力 KC K1C K1（应力强度因子） KC（断裂韧性）或 K1C
（平面应变断裂韧性）
K 受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场
强弱1 程度的力学度量，它不仅随外加应力和 裂纹长度的变化而变化也和裂纹的形状类型 以及加载方式有关，但它和材料本身的固有 性能无关。
裂纹顶端张开位移——是一种裂纹顶端塑性
应变的一种度量。
延伸的断裂判据 ：对中低强度钢，由于塑性大，
往往在发生大范围屈服甚至全面屈服时才发生断裂。
应变量： COD 2 1mmm
三点弯曲 它是建立在经验基础上的分析方法。
应用范围：压力容器，管道的断裂分析在
工程上得到广泛应用。
c
c临界张开位移，是表示材料的断裂韧性，即材料 阻止裂纹开始扩展的能力。
sin
2
cos
2
cos 3
2
平面应变状态
（厚板） z 0
其中 k1 a r a
当 0 时，
x y
K1
2 r
xy 0
即切应力为0，拉应力却最大，裂纹容易沿着该
平面扩展。
应力强度因子
K1 Y a kg / mm3/ 2或 MPa m1/2
Y是与裂纹几何形状和位置决定的参数，K1表示 裂纹尖端应力场的大小或强度。
第8讲 焊接结构的脆性断裂
第8讲焊接结构的脆性断裂
1.1 金属的断裂
一、金属材料断裂和形态特征
焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。
断裂现象可以有多种分类标准：
(1)根据金属材料断裂前变形的大小分：塑性断裂，脆性断裂
(2)按金相显微组织的形状分：穿晶断裂，沿晶断裂
(3)按宏观形态的方位分：正断，切断
由于大多数断裂是在瞬间发生的，所以，用实验方法难于掌握断裂的过程和微观机理。但是，由于断裂后在断口上经常留下能够反映断裂过程和微观机理的痕迹和特征。所以可以借助断口分析对断裂进行研究。表1-1归纳了各种断裂及其特征。
表1-1金属断裂的分类及其特征
二、脆性断裂
脆性断裂---通常称为低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的。脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂，如图1-1所示。
脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展
速度往往很快，脆性断裂在钢中的传播速度能够达到1800m/s 。。
脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。
(a)解理型断口 (b)晶间断裂
图1-1 脆性断裂断口形貌 1.解理断裂
解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。表1-2显示了部分晶型的主解理面、次解理面及滑移面。
表1-2 部分晶型的解理面 晶体结构
金属名称 主解理面 次解理面或滑移面 体心立方
材料力学性能名词解释部分
以下整理，仅供参考！！！
试卷相关名词解释：
(1) 河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。（从垂直于解理面的方向上观察台阶的存在，就看到“河流花样”）
(2) 滞弹性：应变落后于应力而和时间有关的现象。（金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象）
(3) 过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。
(4) 热疲劳：凡是由于温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩，而又因这种膨胀和收缩受到约束，产生了交变热应力。由这种交变热应力引起的破坏就叫热疲劳。
(5)接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。
(6) 凿削式磨粒磨损：从表面上凿削下大颗粒金属，摩擦面有较深沟槽。韧性材料——连续屑，脆性材料——断屑。
(7)粘着磨损：又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。
(8) 内部氢脆：内部氢脆：金属材料在冶炼与加工如酸洗、电镀、焊接、热处理等过程中吸收了大量的氢。即材料在受载荷前其内部已有足够的氢引起氢脆，称为内部氢脆。
(9)氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经一段孕育期后，在金属内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢滞延滞断裂。
第四章 脆性断裂
4.1.1 脆性断裂
放射状条纹
人字形花样
脆性断裂的主要特征： （1）低应力脆性断裂
工作应力 < 屈服极限或许用应力 （2）低温脆性断裂 （3）裂纹超过某个临界尺寸，将迅速扩展， 直至断裂，具有突然性。 （4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金 属中出现
脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂
4.1.2 延性断裂（韧性断裂） 塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形 →载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形 →继续变形，作用力增加（加工硬化） →加大载荷，产生微裂口或微空隙 →微空隙扩展汇合成宏观裂纹 →宏观裂纹发展到一定尺寸 →最终快速失稳断裂
4.2 断裂力学基础 4.2.1 含裂纹件的断裂行为
剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时 刻所具有的承载能力
含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题： （1）结构的剩余强度与裂纹尺寸之间的函数关系； （2）在工作载荷作用下，结构中容许的裂纹尺寸， 即临界裂纹尺寸或裂纹容限； （3）结构中一定尺寸的初始裂纹扩展到临界裂纹尺 寸需要的时间； （4）结构在制造过程中容许的缺陷类型和尺寸； （5）结构在维修周期内，裂纹检查的时间间隔。
E
金属材料 P 塑性变形是阻止裂纹扩展的主要 因素
薄板（平面应力）
c
2EP
a
ac
2EP
2
五、断裂韧度和断裂判据
第5章 钢结构脆性断裂事故
第5章钢结构的脆性断裂事故
5.1 脆性断裂概念
钢结构是由钢材组成的承重结构，虽然钢材是一种弹塑性材料，尤其低碳钢表现出良好的塑性，但在一定的条件下，由于各种因素的复合影响，钢结构也会发生脆性断裂，而且往往在拉应力状态下发生。脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力（低于钢材屈服强度或抗拉强度）情况下发生的突然断裂破坏。钢结构的脆性断裂通常具有以下特征：1．破坏时的应力常小于钢材的屈服强度ƒy，有时仅为ƒy的0.2倍。
2．破坏之前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆。
3．断口平齐光亮。
脆性破坏是钢结构极限状态中最危险的破坏形式。由于脆性断裂的突发性，往往会导致灾难性后果。因此，作为钢结构专业技术人员，应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范。
5.2 脆性断裂的原因分析
钢结构塑性很好，但仍然会发生脆性断裂，是由于各种不利因素综合影响或作用的结果，主要原因可归纳为以下几方面：
一．材质缺陷
当钢材中碳，硫，磷，氧，氮，氢等元素的含量过高时，将会严重降低其塑性和韧性，脆性则相应增大。通常，碳导致可焊性差；硫、氧导致“热脆”；磷、氮导致“冷脆”；氢导致“氢脆”。另外，钢材的冶金缺陷，如偏析，非金属夹杂，裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。
二．应力集中
钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免，在荷载作用下，这些部位将产生局部高峰应力，而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。我们通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数，以表明应力集中的严重程度。
当钢材在某一局部出现应力集中，则出现了同号的二维或三维应力场使材料不易进入塑性状态，从而导致脆性破坏。应力集中越严重，钢材的塑性降低愈多，同时脆性断裂的危险性也愈大。钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关：
第四章 焊接结构的脆性断裂PPT课件
事故原因是由于整个贮罐强度不够，特 别是对局部应力集中缺乏考虑，以致在糖 浆的内压作用下产生脆性断裂。本世纪40 年代球形贮罐的破坏事故更为突出，1943 年美国纽约州有一个直径12米的大型贮气 罐，当温度降到－12℃时发生脆断。
13
（2） 锅炉汽包脆断
1966年英国Cockenize电厂锅炉汽包在 水压试验时发生脆性断裂。汽包是用MnCr-Mo-V钢板制造的，筒体全长23米、内径 1.7米、壁厚140毫米。该容器采用了以新 的贯通形管接头代替旧的管接头。在沿该 管接头的汽包筒身内侧靠近省煤器管接头 处潜伏着一个长度为330毫米、深为90毫米 的大裂纹，并且裂纹表面已发黑。破坏就 是从这里开始的。裂纹呈人字形方向扩展。
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（一） 压力容器脆性断裂
压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力 脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是 脆性断裂更引人注意。压力容器一旦发生 脆性断裂，则将整个结构毁坏，其后果甚 为严重。早基Shank曾对压力容器的破坏作 了调查，在调查报告中收入压力容器脆性 断裂事故18例，其中最典型的例子为： 1919年美国马萨诸塞州糖浆贮罐脆性断裂 事故。
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第二次世界大战后船舶脆断最典型的例子是：
1956年英国最大油轮“世界协和”号，在爱尔兰
海的一次大风暴中轮船破裂成两段，当时海上温
度为10.5℃。后经调查表明：裂纹发生在船腹中
2021年材料力学性能名词解释部分
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材料力学性能名词解释部分
(1) 河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。（从垂直于解理面的方向上观察台阶的存在，就看到“河流花样”）
(2) 滞弹性：应变落后于应力而和时间有关的现象。（金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象）
(3) 过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。
(4) 热疲劳：凡是由于温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩，而又因这种膨胀和收缩受到约束，产生了交变热应力。由这种交变热应力引起的破坏就叫热疲劳。
(5) 接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。
(6) 凿削式磨粒磨损：从表面上凿削下大颗粒金属，摩擦面有较深沟槽。韧性材料——连续屑，脆性材料——断屑。
(7) 粘着磨损：又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。
(8) 内部氢脆：内部氢脆：金属材料在冶炼与加工如酸洗、电镀、焊接、热处理等过程中吸收了大量的氢。即材料在受载荷前其内部已有足够的氢引起氢脆，称为内部氢脆。
(9) 氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经一段孕育期后，在金属内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢滞延滞断裂。
材料的力学性能5
γ xy =
1 2G
KI θ 3θ θ cos cos sin 2 2 2 2π r
裂纹尖端附近应力场
RAL
5.2 裂纹尖端附近的应力场
σy =σx =
KI 2π r
在裂纹延长线上(即 轴上 轴上)， 在裂纹延长线上 即x轴上 ，θ=0，sinθ=0 ，所以 ，
即在该平面上，切应力为零，拉伸正应力最大，故裂纹容易沿该平面扩展。 即在该平面上，切应力为零，拉伸正应力最大，故裂纹容易沿该平面扩展。
2
设该塑性区边界在Ox轴上的截距为r0
（平面应力） 平面应力）
裂纹尖端塑性区的形状
RAL
5.3 裂纹尖端塑性区的大小及其修正
KI θ θ cos 2 (1 − 2υ ) 2 + 3sin 2 σs 2 2
2
平面应变状态时：
1 r= 2π
在Ox轴上的截距为r0
1 r0 = 2π
RAL
5.3 裂纹尖端塑性区的大小及其修正
在接近裂纹尖端时，应力增大。对于延性材料， 在接近裂纹尖端时，应力增大。对于延性材料，当应力超过材料的屈服极限 时，材料将屈服而发生塑性变形，从而使裂纹尖端处的应力松弛。发生塑性变形 材料将屈服而发生塑性变形，从而使裂纹尖端处的应力松弛。 以后，在塑性区内的应力－应变关系已不遵循线弹性力学规律。 以后，在塑性区内的应力－应变关系已不遵循线弹性力学规律。但如果塑性区很 经过必要的修正，线弹性力学仍可有效，要解决这一问题， 小，经过必要的修正，线弹性力学仍可有效，要解决这一问题，首先要计算出塑 性区的尺寸，然后寻求修正的办法。 性区的尺寸，然后寻求修正的办法。
(完整版)断裂力学与断裂韧性.
断裂力学与断裂韧性
3.1 概述
断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！
按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],
就被认为是安全的了。而[σ]，对塑性材料[σ]=σ
s /n，对脆性材料[σ]=σ
b
/n，
其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。
人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。
3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论
3.2.1 理论断裂强度
金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方
为吸引力下方为斥力，当两原子间
距为a即点阵常数时，原子处于平
衡位置，原子间的作用力为零。如
金属断口分析
名词解释
延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于
延性断裂）是一种脆性穿晶断口
沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断
疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。
正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。
冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。
河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河流。
断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。
氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。
卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。
等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。
第一章
断裂的分类及特点
1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。
脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并；断口：三区，无光泽的纤维状，剪切
低应力脆断的原因及防止方法
低应力脆断的原因及防止方法
低应力脆断是一种常见的金属材料破坏形式，它主要是由于金属材料
在受到外力作用时，其内部产生了应力集中和应变集中，导致局部区
域的强度降低，最终导致材料发生破裂。为了防止低应力脆断的发生，需要从以下几个方面进行控制。
一、原因分析
1. 内部缺陷：金属材料内部存在着各种缺陷，如夹杂、气泡、裂纹等。这些缺陷会在受到外力作用时扩展并聚集，形成应力集中和应变集中，最终导致破裂。
2. 材料组织：金属材料的组织结构对其性能有很大影响。如果材料组
织不均匀或存在过多的晶界，则容易引起局部强度下降和应力集中。
3. 加工工艺：金属材料的加工过程也会对其性能产生影响。如果加工
过程不当或加工参数不合理，则容易引起金属材料内部产生残留应力
和变形不均匀等问题。
二、防止方法
1. 加强材料检测：在金属材料生产过程中，应采用各种先进的检测技术，及时发现和排除内部缺陷。同时，还应对材料进行化学成分分析和组织结构分析，以保证其质量。
2. 改善材料组织：通过调整金属材料的热处理工艺、合理选择合金元素等方法，改善其组织结构，并提高其强度和韧性。
3. 控制加工工艺：在金属材料的加工过程中，应合理控制加工参数、采用适当的切削液和刀具等手段，以避免产生残留应力和变形不均匀等问题。
4. 采用预应力技术：对于一些需要承受大载荷的金属构件，在设计时可以采用预应力技术。这种方法可以在构件上施加一定的预压力，从而消除内部残留应力，并提高其抗拉强度和韧性。
总之，在避免低应力脆断方面需要从多个方面入手，并且要根据具体情况制定相应的防范措施。只有做好各项工作，才能有效地提高金属材料的质量和性能，避免出现低应力脆断等问题。
低应力脆断的原因及防止方法
低应力脆断的原因及防止方法
低应力脆断是一种金属材料在受到较小的应力作用下出现断裂的现象。它是由于材料内部的应力集中引起的，通常发生在工件的特定部位，如焊缝、应力集中部位或孔洞周围。低应力脆断对工程结构的安全性和可靠性
产生很大的影响，因此对其原因进行深入研究并采取相应的措施是非常必
要的。
低应力脆断的原因主要包括三个方面：材料性能、应力集中和外部环
境因素。首先，材料的性能对低应力脆断起着重要的影响。一些低韧性的
材料，如部分铁基合金，容易发生低应力脆断。其次，当材料受到外部应
力作用时，应力会在材料中产生应力集中，导致局部区域的应力大于其抗
拉强度或韧性，从而引发低应力脆断。最后，外部环境因素如温度、湿度
和腐蚀等也会对低应力脆断起到促进作用。
为了防止低应力脆断，可以采取以下措施：
1.选用合适的材料：选择韧性良好的材料是防止低应力脆断的首要措施。材料应具有较高的延展性和韧性，以便在受到应力时能够适应变形而
不易断裂。
2.设计合理的结构：通过合理的结构设计来减小应力集中区域，可以
有效地防止低应力脆断的发生。例如，避免孔洞和尖锐角的存在，增加结
构的半径和倒角等。
3.使用足够的预应力：在一些关键部位，通过施加足够的预应力来平
衡外部应力，减小应力集中，有助于防止低应力脆断的发生。
4.控制外部环境因素：尽可能避免材料暴露在高温、湿度或腐蚀性环境下。在特殊情况下，可以使用合适的涂层或包覆层来保护材料免受外部环境的损害。
5.采用疲劳寿命评估：了解材料在不同应力状态下的疲劳寿命，可以帮助工程师选择合适的结构和材料，从而有效地预防低应力脆断的发生。
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低应力脆断
题目：举出一机器零件在使用过程中由于低温因素而产生低应力脆断的实例，分析断口特征，断裂类型并提出改善其性能的措施。
关于低温低应力脆断问题
在实践中会碰到各种结构或零件的断裂问题，例如桥梁、各种机械和液化气罐等的脆裂，这些断裂事故又多发生在较低的温度.分析研究发生这些事故的原因、影响因素及其解决办法就属于目前关于低温低应力脆断。
对低温低应力脆断危害性的了解，举几个实例，第二次世界大战时美国建造的2600艘轮船，其中就有145艘断成两截，700艘严重损坏，有的甚至是在零下几度停泊在码头时就自动断成两截。1944年前后，美国的克利夫兰发生的球形液态天燃气储罐的脆裂事故，一次造成128人死亡、680万美元的损失。苏联亚库茨克地区1960年仅由于冬季汽车车架、悬挂部件等的脆断使运输能力减少约1900万吨·公里，相当于损失200万卢布。1961年亚库茨克的一个挖掘船托拉斯由于低温脆断致使停工T300小时，相当于亏损200万卢布。据不完全统计，我国东北地区大兴安岭林管局每年由于金属材料低温失效的损失，相当于人民币一700多万元。
一、“低温”问题
由于温度的降低会完全改变材料的断裂性质，因此在研究金属材料低温低应力脆断问题时，首先要明确什么是“低温”。一般认为零度以下或更低的温度才算低温。对于金属材料而言，低温的划分不应是绝对的，应根据某种金属材料及其状态的不同而不同，一般应以金属材料本身是否处于冷脆状态来判别是否属于低温。
“体心立方或铁素体合金在某一温度范围内冲击试验时断裂行为会发生本质的改变。在高于该温度范围，冲击试样以剪切机理断裂，并吸收大量的能。在低于该温度范围时，冲击试样以解理机理发生脆断，并吸收极少量的能.”从图1中可看出，冲击值随着试验温度的降低而在某一温度范围内出现突然下降的倾向，而且断裂特性也由韧性断裂变为脆性断裂。有人把冲击值为上、下平台平均值时所对应的温度称为韧一脆转变温度，应用较广泛的是把试样宏观断口上纤维状组分和结晶状组分的百分比各50%时的温度作为韧一脆转变温度，在进行某种材料、某一组织状态冲击试样的系列冲击试验时都可以找到一个韧一脆转变温度。在做其它形式试验随温度变化的试验时也可以从断口的观察上，找到一个由韧性断裂转变为脆性断裂的温度.材料的韧一脆转变温度并不是一个常且，它可由于载荷的类型、加载速度、试样的尺寸形状、应力集中系数、杂质含量及其分布、试验方法等等因素的影响而不同.但是一旦各种因素全部固定时，韧脆转变温度也就相应地被确定为一个定值。无论韧一脆转变温度是高还是低，这些材料在一点上是共同的，即在此温度范围以上断裂时是韧性断裂;在此温度范围以下断裂时是脆性断裂;在中间温度范围内断裂时是混合型断裂.基于这种客观事实，就可以给“低温”下一个比较确切的定义:在特定情况下以材料的韧一脆转变温度为分界线，低于这一温度指标的温度均叫作低温，不管这一温度指标是在负温区，还是在正温区。事实上，只要构件(或零件)发生脆断时的温度(不管这个温度绝对值的高低)低于材料本身的韧一脆转变温度，就可以作为低温脆断问题加以研究解决.目前在室温或高于室温的温度下所发生的大量脆断问题（当然是氢脆是例外）没有被纳入低温脆断来解决，例如汽车板簧的脆断问题等等.
二、“低应力”问题
结构或零件在正常情况下使用时，所受的外加应力一般都低于按设计要求的“许用应力’，可是在有些情况下(例如温度降低时)本来按照设计完全不会发生断裂的零件却发生了断裂甚至脆性断裂，其原因可能是因为在设计时对材料内部可能存在的各种缺陷以及表面缺口、截面突变所造成的各种复杂应力一应变状态估计不足，另外更重要的一点就是忽视了温度对材料性能的重要影响.
对大量低温脆断失效构件的应力分析表明，断裂时的名义应力为1/2——1/3屈服点，甚至1/4.，因此把这种断裂称为低应力脆断。但是，究竟怎样来理解所谓低应力呢?
在原材料中，存在着不同程度的微裂纹或裂纹源以及杂质.而在零件设计上，其直径或厚度突变处也相当于不同应力集中系数的缺口.根据缺口尖端尖锐程度的不同可以使材料在不同的温度发生低应力脆断.
值得得注意的一点是在许多情况下也发现有相反的现象，即在低温时应力集中处的强度反而增大.这种变化取决于温度降低的程度和应力局部提高的程度、应力状态的特性以及材料在温度降低时对于滑移强度和破坏强度变化的敏感性t6’。脆性破坏可能在符合下列条件
下发生:
发生韧断和脆断所消耗的冲击功不一样，韧断时较大，脆断时较小。然而无论哪种断裂都是需要把材料中两个相邻原子面拉开，因此脆断时拉开两个相邻原子面所需应力要比韧断时所需的应力低，从这个角度来讲，也可称作低应力。另外，从断裂的实质来看，任何断裂过程都是一个裂纹的萌生和扩展的过程.当已萌生的裂纹经过稳定扩展阶段达到失稳扩展时，断裂就发生了.由于裂纹
的存在改变了材料内部应力的分布状态，而在裂纹尖端产生应力集中，使局部达到或超过局部材料的屈服点，此时就会在局部发生塑性变形或开裂。“如果裂口是在一个很短的时间内传播的，以致还来不及通过邻区中的滑移产生应力弛豫，结果就产生脆性断裂”〔7，。在高温下裂纹扩展主要是以塑性变形《滑移)的方式进行。而低温下裂纹总是沿一定结晶学平面(解理面)进行扩展，这种扩展消耗的能量低，且脆性裂纹一经张开，就会靠材料本身所储存的弹性能的释放而继续扩展，不需要外力的继续作用，因此这种断裂是低应力的。蚤，当应力达到临界应力‘
时即产生脆性断裂.可见，就裂纹尖端的局部而言，由于应力集中的影响，在某一时刻断裂应力大于局部的屈服点而产生局部的塑性变形.但是宏观整体上，脆断时的断裂应力都小于材料的屈服点的.综上所述，由于低温的影响(包括缺口、裂纹等的影响)所造成的脆断必定是低应力的.这种低应力应该这样来理解，即断裂时的名义应力低于该温度时材料的屈服点。
三、“脆断”问口
断裂可分为脆性断裂和韧性断裂.从宏观断口来区分，脆断没有明显的宏观塑性变形，韧断则有.从断裂方式(微观机制)来区分，脆断是解理断裂和晶间断裂，韧断是切变断裂，其微观机制分别如图Ba)、b)、c)所示.脆断是在瞬时发生的，一旦发生，就是立即卸载也无法制止断裂，且断裂的整个过程是在弹性形变范围内完成，即所谓失稳断裂。而韧断的发生则比较缓慢，卸载后裂纹立即停止扩展.一般人们凭借对断口的宏观分析来判断是否为晚断，依据是断口有无明显塑性变形。然而即使处于完全脆性断裂，在微观上仍有塑性变形发生，不过仅是范围极小而已.这可由以下两点来说明:①从断裂理论知道，所有裂纹的形