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，所有裂纹的形核过程都是位错运动的结果L.].因此要萌生裂纹就必须产生滑移，也就是产生了局部微量塑性变形。脆断无疑也是一种裂纹的萌生和扩展的过程。①从试样脆性断口电子显微镜分析中亦可证明，图了是粗晶粒冲击试样断口的扫描电镜照片，其微观机制为晶间断，但仍呈现有大量的晶界韧窝，说明断裂时在晶间发生了塑性变形.图8为准解理机制，但仍有少量韧窝存在.根据许多研究者对各种组织(如铁素体、珠光体)解理断的研究中发现，即使在很低的温度下发生解理仍有塑性变形的痕迹存在，这一点说明脆断并不是完全没有塑性变形的，而只是宏上没有明显的塑性变形而已.另外，在室温下不发生脆断的材料，如果有缺口存在也可能发生脆断，其主要原因是由于缺口的存在改变了缺口截面处本身的强度改变.在外力作用下缺口部分首先变形，它变形时的侧向收缩受到邻近未变形的非缺口部分的应力分布状态，而不是由于材料限制，使缺口部分处于三向拉应力状态，这时有效切应力将减少，为了使材料屈