金属脆性断裂失效现象

金属脆性断裂失效现象
近百年来，随着金属材料的广泛应用，曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故，包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。

通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征有：
1、零件断成两部分或碎成多块；
2、断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好地吻合，在断口附近没有宏观的塑性变形迹象；
3、脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”；
4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；
5、温度降低，脆断倾向增加；
6、脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹；
7、一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的；
8、高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低强度钢也可能发生脆性断裂。

脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。

金属脆性断裂失效原因分析
1、应力分布
最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。

最大切应力促进塑性变形，是位错移动的推动力，而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。

当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化，这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀，即造成三向拉应力状态，极易导致脆性断裂。

因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。

材料的应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。

2、温度
温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增加，韧性下降，解理应力也随着下降。

对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。

金属零件发生低温脆断的基本条件：一是所用材料属于冷脆金属；二是环境温度较低，即零件处在脆性转变温度T c以下的环境中工作；三是零件的几何尺寸较大，即处在平面应变状态。

此外，当零件上存在显微裂纹、缺口或大块非金属夹杂物等缺陷时，会使T c提高，从而促使零件在较高温度下发生脆化。

普通铸铁件，硬度不高，其基体为塑性很好的铁素体或珠光体，但由于晶粒粗大，片状石墨造成的应力集中，加之含有大量缺陷使丁，显著升高，所以，室温条件下即可发生宏观脆性的解理断裂。

金属脆性断口微观形貌特征
1、解理断口
解理断裂常发生于低温、高应变速率、应力集中及粗大晶粒的条件下，裂纹一经形成，便会迅速扩展。

因为解理的存在取决于晶体结构，并且它沿着十分确定的原子面扩展，所以，宏观观察解理断口是十分平滑的，相邻的区域没有塑性变形，而在电镜下观察每一个解理小刻面，发现这些小刻面并不是一个单一的解理面。

金属解理断口的微观形貌最主要特征是河流花样。

河流花样的形成是因为解理并非沿单一的结晶学平面进行，而是沿着相互平行的许多平面以不连续的方式开裂的。

不在一个平面上的解理裂纹在向前扩展时，通过二次解理或与螺型位错相交时产生割阶，即解理台阶。

解理台阶在裂纹扩展过程中逐渐会合，直至最后断裂。

河流花样就是裂纹扩展中的解理台阶在微观断口上的表现。

裂纹源在河流的上游，顺流方向即裂纹扩展方向。

晶界常使解理断口呈现更复杂的形态。

当解理裂纹通过小角度倾斜晶界时，由于小角度晶界由刃型位错组成，其两侧晶体仅相互倾斜一小角度，且有公共交截线，则它们对河流花样的穿过不产生多大影响，裂纹能穿过晶界，“河流”能连续地延伸到相邻晶粒内。

当解理裂纹通过扭转晶界时，因晶界由螺位错组成，其两侧晶体以边界为公共面转动一小角度，使两侧解理面存在位向差，故裂纹不能连续通过晶界而必须重新形核，在晶界处形成新的“河流”，产生河流激增。

当裂纹穿过大角度晶界时也形成大量“河流”。

解理断裂的另一微观特征是舌状花样，因其在电子显微镜下类似人的舌头而得名。

在体心立方金属中，在主解理面{100}上扩展的裂纹与孪晶面{112}
相遇时，裂纹在孪晶处沿{112}面产生二次解理（即二次裂纹），而孪晶以外的裂纹仍沿{100}扩展，二次裂纹沿孪晶面扩展，超过孪晶再沿{100}面继续扩展。

因此，获得形似舌头的特征花样。

2、准解理断口
这种断口常出现在淬火回火的高强度钢中，有时也出现在贝氏体组织的钢中。

其微观形貌特征具有河流花样、小解理刻面，以及由隐蔽裂纹扩展接近产生塑性变形所形成的撕裂棱，有时也有舌状花样。

因此。

准解理裂纹即具有解理断口的形貌特征，又具有韧性断口的形貌特征（韧窝、撕裂棱），故其断口的微观形貌是介于解理断口与韧性断口之间的一种断口形貌。

准解理断口与解理断口的区别表现在：准解理裂纹多萌生于晶粒内部的空洞、夹杂物、硬质点处，而解理裂纹则萌生在晶粒的边界或相界面上。

裂纹传播的路径不同，准解理是裂纹向四周扩展，裂纹的扩展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱，相对于解理裂纹要不连续得多，而且多是局部扩展。

解理裂纹是由晶界向晶内定向扩展，表现出河流走向。

准解理小刻面不是晶体学解理面。

调质钢的准解理小刻面的尺寸比回火马氏体的尺寸要大得多，与原奥氏体晶粒尺寸相近。

解理与准解理之间的主要区别见下表。

3、沿晶断口
沿晶脆性断裂是沿晶粒界面所发生的断裂，断口的微观特征是晶界面上相当平滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面（小平面）的“冰糖状”断口形貌，冰糖块状恰好反映出晶粒这种多面体的特征。

金属脆性断裂的类型
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、密排六方金属与合金处于低温、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，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。

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。

断裂分类及其特征。