金属断裂机理完整版

金属断裂机理完整版Newly compiled on November 23, 2020

金属断裂机理

1 金属的断裂综述

断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。

根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。

多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。

按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。

通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。

剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。

根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。

按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂(如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等)、冲击断裂、疲劳断裂；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见下表：

2 微孔聚合断裂机制

相关概念

定义：微孔聚合型断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、孪晶带、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。

微孔萌生的时间：若材料中第二相与基体结合强度低，在颈缩之前；反之，在颈缩之后。微孔萌生成为控制马氏体时效钢断裂过程的主要环节。

微孔聚合型断裂形成的韧窝有三种：

1）拉伸型等轴状韧窝；

2）剪切型伸长韧窝；

3）拉伸撕裂型伸长韧窝。

韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量、分布以及基体的塑性变形能力，如第二相较少、分布均匀且基体塑性变形能力又强，那么韧窝大而深；若基体的加工硬化能力很强，韧窝大而浅。

断口形貌特征

A种(15 mA cm2)变体钢断裂面的形貌---兼有微孔聚合断裂和解理断裂

B (30 mA cm2)种变体钢断裂面形貌---兼有韧窝和二次裂纹

以上图片是对“800 C–Mn–Si超强度钢（TRIP 800 steels）”的A、B两种变体钢试样进行拉伸试验的断口形貌，括号中标注的是实验具体使用的电流密度值。

本实验研究氢含量对TRIP 800 steels性质和断口形貌的影响，上面图2-1说明氢含量高使得断口表现出了较多较浅的韧窝，韧窝浅因为氢脆效应降低了材料的塑性变形能力。另外，图2-2是在加入了氢吸收促进剂之后的断裂形貌，除了有韧窝出现，还有了二次断裂，并且产生于夹杂物（即氢吸收促进剂）旁边。

微孔聚合断裂机制

微孔聚集断裂为剪切断裂的一种形式，微孔聚集断裂是材料韧性断裂的普遍形式，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微断口特征花样则是端口上分布大量“韧窝”，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。

微孔聚合断裂过程

由于应力状态或加载方式的不同，微孔聚合型断裂所形成的韧窝有三种类型：(1)拉伸型的等轴状韧窝。裂纹扩展方向垂直于最大主应力σmax，σmax是均匀分布于断裂平面上，拉伸时呈颈缩的试样中心部分就显示这种韧窝状。

(2)剪切型的伸长韧窝。在拉伸试样的边缘，两侧均由剪应力切断，显示这种韧窝形状，韧窝很大如卵形，其上下断面所显示的韧窝，其方向是相反的。

(3)拉伸撕裂的伸长韧窝。产生这种韧窝的加载方式有些和等轴状韧窝类似，但是等轴状韧窝可以认为是在试样中心加拉伸载荷的，而拉伸型韧窝是在试样边缘加载的，因而不是沿截面均匀分布的，在边缘部分应力很大，裂纹是由表面逐渐向内部延伸的，

σ

max

好像我们把粘着的两张纸，从一端把它们逐渐撕开一样故称拉伸撕裂型。表面有缺口的试样或者裂纹试样，其断口常显示这种类型。这种类型的韧窝，韧窝小而浅，裂纹扩展快，故在宏观上常为脆断，所以不要把微孔聚合型的微观机制都归之为韧断，这也是宏观和微观不能完全统一之处。

SPA-H集装箱板断口形貌700×

上图为拉伸断口形貌，断裂全部为韧性断裂，断口呈韧窝状，夹杂物少。

断口形貌分析

图4与图5分别给出了复合材料室温和高温拉伸后试样的断口形貌。可以看出，室温条件下，TMC1 为韧性断裂，其断口有许多较浅的韧窝，而TMC2 为典型脆性断裂，其断口存在河流花样以及脆性解离面。与等轴组织较浅的韧窝相比，TMC1 的层片状组织