第三章 第一部分 断裂分类及微观机制

•世界载人航天史上的悲剧 ——“挑战者”号航天飞机升空失事
1986年 1月28日，“挑 战者”号第10次飞行中， 升空73秒后起火爆炸。 造成直接经济损失近20亿 美元，7名航天员死亡， 航天飞机飞行被迫中断近 2年，直到1988年9月29日 才恢复“发现号”的飞行。
事故原因：“挑战者”号右侧助推火箭连接处的 O形 密封圈在火箭点火后破裂，燃烧火焰热流外逸，波及 燃料箱，引起爆炸。
2011 年 7 月 14 日上午 8 点 50 分左右， 福建武夷山市的武夷山公馆大桥北 端发生垮塌事故，牌号为闽 H30953 的一辆旅游大巴车坠入桥 下，当场造成1人死亡，22人受伤
2011年7月15号，通车仅14 年的杭州钱江三桥引桥坍塌。
2011年7月19号，零点40分，一辆重 达160吨的严重超载货车，通过北京 市宝山寺白河桥时，造成桥梁塌毁。
• 脆性断裂
——在断裂前几乎不产生明显的宏观塑性变形或塑性 变形量极小，难以察觉，断裂突然发生，而且有时伴随 产生大量碎片，其危害性极大，经常导致灾难性的后果。
80℃
-30℃
此种分类方法只具有相对意义：
• 同一种材料，条件改变（如应力、温度、环境等变 化），其变形量也可能发生显著的变化； • 在某些情况下，宏观范围内是脆性断裂，但在局部 范围或微观范围内却存在着大量的塑性变形。
断口上观察到韧窝并不意味该材料发生了韧性断裂 ——韧窝的存在，只说明材料在局部微小区域内曾发生过剪切 变形，变形可能只局限于断裂路径所经过的很小体积内，即断 口两侧的微观区域内，至于在宏观区域内材料是否表现为有很 大的塑性并不能由此而定。 沿晶断裂的断口表面 上虽然存在微观塑性变形 所形成的韧窝，但是宏观 表现仍然为脆性断裂。
2、微孔聚合型断裂的裂纹长大 ——微孔形成后，依靠第二相粒子周围金属的塑性变形而长大。
二、断裂的微观机制
• 解理断裂 ——材料在正应力的作用下，由于原子 间键合遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。 • 剪切断裂 ——金属材料在切应力的作用下，沿滑 移面分离而造成的断裂现象。
s
解理面
s
t
滑移面
（1）解理断裂的特点 材料以极快的速率沿着特定晶体学平面而产生的穿晶断裂， 这种特定的晶体学平面称为解理面。 解理面一般是表面能量最小的晶面，且往往是低指数的晶面。 解理断裂常在体心立方和密排六方金属及合金中发生。
因此，完全脆性断裂和完全韧性断裂是较少见的， 通常情况下是兼备二者特征的混合型断裂。
2、按照引起断裂的应力类型及断裂面与应力取向关系划分 • 正断型断裂
——由正应力引起的，断裂面取向与最大正应力方
向垂直。
• 切断型断裂
——由切应力引起的，断裂面平行于最大切应力或
最大切应变方向，与最大主应力方向呈45º 交角。
河流的流向恰好与裂纹扩展 方向一致。所以根据河流花样的 流向，可判断解理裂纹在微区内 的扩展方向。
(c)舌状花样 解理裂纹与孪晶交割产生，是孪晶在断口上的露头。
图6-12 舌状花样微观形貌 TEM24000×
舌状花样的形成与解理裂纹沿形变孪晶与基体之间的界面扩 展有关，是解理裂纹扩展遇到孪晶与基体的界面时裂纹改变走向 后形成的。
1988年，Aloha 航空公司的一架 波音737飞机在 太平洋上空飞行 时，在没有任何 预兆的情况下， 机舱天棚洞开。
2011年04月01日，1架隶属于美国西南航空公司的波音737-300型客 机在飞行途中，机舱顶部突然“开天窗”，1.5米长的破洞导致机 舱失压，随后飞机在美国亚利桑那州一军用机场成功迫降。除一 名空乘人员因缺氧昏迷而受轻伤外，其他人安然无恙。
解理断裂过程中无明显塑性变形，为脆性断裂，是 穿晶断裂，不能简单地将解理断裂等同于脆性断裂，解 理断裂指的是微观断裂机理，脆性断裂代表的是断裂过 程中吸收能量的多少，或者是断裂前是否存在明显的宏 观塑性变形。
(2)剪切断裂的特点 •纯剪切断裂 ——由于纯滑移流变造成断裂
• 微孔聚合性剪切断裂 ——在塑性变形过程中微孔形核、长大、聚合导致材料分离。 工程结构中所用的金属材料大多为多晶 结构，材料中大都含有与基体性质不同的夹 杂物或者第二相，在塑性变形过程中，由于 变形协调能力的差异，在晶界、相界处极易 萌生微裂纹，在应力集中的作用下，微裂纹 尖端发生塑性变形，产生钝化形成微孔，断 裂后形成微坑或韧窝。
解理裂纹穿越晶界的方式示意图
•多晶体材料中解理裂纹的扩展可分为在晶粒内扩展和穿越 晶界向相邻晶粒内扩展。裂纹穿越晶界扩展是控制解理断 裂过程的关键。
二、微孔聚合型断裂的裂纹形核与扩展
1、微孔聚合型断裂的裂纹形核 ——以第二相粒子界面最为常见
（a）
（b）
（c）
（d）
• 塞积位错在基体与第二相粒子界面处造成应力集中，当达到一定 程度时，会导致界面开裂或第二相粒子碎裂，从而形成初始裂纹。 • 初始裂纹一旦形成，随后续位错不断加入，裂纹尺寸逐渐增大。 • 随着变形继续，裂纹尖端由于加工硬化而发生钝化，塑性变形逐 渐向裂纹面上下区域发展，于是以第二相粒子为核心形成微孔。 • 由于位错可以在不同滑移面上运动和塞积，因此，微孔可因一个 或几个滑移面上的位错运动而形成，并借其它滑移面上的位错向该 微孔运动而长大。
第二次世界大战时期，美国轮船 Schenectady号停靠于太平洋西北 码头时，船身完全断裂开。
•20世纪50年代，美国北极星导弹固体发动机试验时 发生的爆炸事故、法国核电站的压力容器、英国核电 站的大型锅炉爆炸都造成了严重破坏与人员伤亡。 •1954-1956，美国发生5起电站转子与叶轮的飞裂事 故，加拿大发生了2起发电机护环的飞裂事故。 •1965年12月17日，北海气田“海宝号”海洋钻机脆 断事故，造成19人丧生。 •20世纪70年代初辽阳化工厂压力容器爆破事故造成 数十人伤亡。
正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一 般总是韧性的。
单向拉伸断裂的几种断口形貌
正断型断口
切断型断口
混合型断口
3、按照裂纹扩展路径进行分类（多晶体材料） • 沿晶断裂 ——裂纹沿着晶界或相界扩展而引起的断裂 • 穿晶断裂 ——裂纹穿过晶粒或相的内部扩展而导致的断裂
铝多晶体晶粒的三维结构
镍基高温合金GH698 的蠕变断口形貌
第三章 断裂与断裂韧性 （第一部分）
安全服役范围
金属构件的失效模式 塑性变形 断 裂 ——材料在外力作用下局 部或整体相邻的两部分发 生分离的现象。
典型结构材料的拉伸曲线
断裂导致构件的整体性、连续性遭 到破坏，意味着构件功能的彻底丧失， 因而是材料最严重的失效形式。
关于断裂的危害很容易理解，其后果 往往是灾难性的，如锅炉爆炸、桥梁破 裂、火车运行中车轴断裂、飞机、轮船 失事、导弹和运载火箭的失控爆炸等。
锌单晶的滑移变形
韧窝的形状取决于应力状态和断裂方式
（a） （b） （c） 图4-26 三种应力作用下韧窝形成示意图 （a）等轴韧窝；（b）剪切韧窝；（c）撕裂韧窝
（a） （b） 图6-16不同类型韧窝的扫描电子形貌（3500×） （a）等轴韧窝，（b）抛物线韧窝
韧窝大小及深浅与第二相的数量、分布以及基体的塑性变形 能力与加工硬化能力密切相关。如果第二相粒子大小均一、分布 均匀，则形成韧窝的尺寸也较为均匀一致；反之，如果第二相粒 子大小不一，则最终形成的韧窝尺寸也存在显著差别。
§3-1 断裂分类及断裂机制
断裂失效是一个十分复杂的物理、化学和力学过 程，即使是同一种材料，在不同的服役条件下会有不 同的断裂失效形式。
力学状态图示意
一、断裂分类
1、根据断裂时宏观变形量的大小划分 • 韧性断裂 ——断裂前材料发生明显的宏观塑性变形，又叫延性 断裂或塑性断裂，比较容易引起人们的注意，如果及早 采取相关措施，可以避免断裂危害的发生。 危害性相对较小，即使发生破断，也不会产生大量 碎片，危及周围的设备及人员。
a b [ 1 1 1] 2
晶界/相界
s
(001)
b = a[001]
0 (1 1)
（a） （b） 图3-17 建立在位错反应基础上的（001）解理裂纹形成示意图
(1 01
a b [111] 2
s
)
2、解理裂纹的扩展 •解理裂纹的扩展必须满足一定的能量条件。 ——由于解理面一般是表面能较小的晶体学 平面，因此，裂纹优先沿着解理面扩展。
(a)解理台阶的形成方式 ——通过次生解理或撕裂的方式形成台阶
（a） （b） （c） 图6-6 通过二次解理或撕裂方式形成解理台阶示意图
——解理裂纹与螺位错相交割所形成的台阶
b1
B D D S B
b2C b2A来自AC(a)
(b)
解理台阶的形成过程示意图 (a) 裂纹AB向螺位错CD扩展，(b) 裂纹与螺位错 CD交割形成台阶
断裂失效典型事例：
•第二次世界大战期间，美国制造了近 4000 艘焊接轮 船，包括 60 艘“海洋号”、 3000 多艘自由号、以及 550 余艘 T2 油船，到 1958 年底为止，严重断裂的有 319艘。
1943年1月，刚刚经过试航的美国T-2号 油轮，停泊在纽约港，突然一声巨响， 自行断裂为二。当时甲板的工作应力仅 为70MPa，远低于材料的屈服极限。
（b）河流花样 解理台阶在裂纹扩展过程中，要发生合并与消失，并伴 随台阶高度的变化。
解理台阶相互汇合示意图 (a) 异号台阶汇合 (b) 同号台阶汇合
(a)
(b)
许多小的解理台阶相汇合，把 处于不同解理面上的裂纹联通 起来，便形成了河流花样。
图3-9 解理裂纹扩展方向与河流方向
河流花样是解理断裂 的重要微观形貌特征。
解理断口的基本微观特征是台阶、河流花样、舌状花样等
（a） （b） 图6-5 B2结构Fe3Al真空室温拉伸试样的断口形貌 (a) 单晶试样断口形貌，(b) 多晶试样断口形貌
从理论上说，一个理想完整晶体沿其解理面发生断裂时，断 口应该是一个平坦的完整晶面，但由于存在缺陷，裂纹并不是沿 着单一晶面解理，而是沿着一组平行的晶面解理，在不同高度上 的平行解理面之间形成解理台阶。
t
解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界，并严格地沿一定的 结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸，极少发现终止于 晶粒内部的解理裂纹。低温、高的加载速率、应力集中及粗大晶 粒均有利于解理断裂的发生。 解理裂纹的扩展是由垂直作用于某一解理面上的拉应力所控 s 制的。
解理面
s
解理断口的宏观形貌是较为平坦、发亮的结晶状断面。对于 实际多晶体金属材料而言，由于晶粒取向不同，导致解理断口上 不同晶粒的解理面与断裂面之间存在着相对位向差异，如果把断 口放在光照下旋转，则断面象存在许多小镜面似的闪闪发光，一 般称这些反光的小平面为“小刻面”，根据这个宏观特征很容易 判别解理断口。
沿晶断裂通常是宏观脆性的， 穿晶断裂则既可以是宏观塑性的， 也可以是宏观脆性的。
4、从致断原因角度分类 在工程实际中，构件的断裂行为与材料自身及外 界条件密切相关，出于研究方便，更多的是从致断原 因角度出发，将断裂失效划分为 • 疲劳断裂 • 蠕变断裂 • 应力腐蚀断裂 • 氢脆 • 腐蚀疲劳断裂等
断裂是工程事故中最严重的失效形式，严重影响 整个系统的安全运行，会造成巨大的经济损失，产生 灾难性的后果。 因此，对断裂问题开展研究，确定断裂失效模式， 分析断裂事故发生的原因，并进而提出有效预防措施， 以避免类似事件的再度发生，对于工程应用具有非常 重要的现实意义。 断裂是材料在一定应力状态下所表现出的特定力 学行为，断裂的发生既与构件的受力状态有关，又与 制作构件材料的自身特性有关。 •断裂力学——从力学角度出发，研究断裂发生的力学 条件，进而建立断裂判据。 •材料学——材料自身特性及组织结构 •断裂物理——裂纹萌生和扩展机制及其影响因素
图6-17 微孔型沿晶断裂的断口形貌
§3-2 裂纹形核与扩展的物理模型
一、解理断裂的裂纹形核与扩展
1、解理裂纹形核的位错模型 •位错塞积模型（Zener-Stroh） ——在切应力作用下，滑移面上的刃 型位错运动遇到障碍，产生塞积，在 位错前端产生高的应力，诱发裂纹。 •位错反应模型（Cottrell） ——位于两个{110}面上的 a/2[111]滑移位错在两面的 交线处发生位错反应产生 a[001]位错，大量的a[001] 位错塞积导致微裂纹萌生。