【文章內容簡介】 的幾個位錯塞積便可使晶體沿 (001)解理面形成解理裂紋 。Cottrell提出的位錯反應是降低能量的過程 ，裂紋的形核是一個自發(fā)過程 ， 面心立方金屬雖有類似的位錯反應 ， 但不是降低能量的過程 ， 因而不存在這一形核機理 。 a圖 411 位錯反應形成裂紋 （ 3） 脆性第二相開裂理論 （ Smith理論 ） Cottrell理論強調拉應力的作用 ， 未考慮顯微組織不均勻造成的影響 。 Smith提出了低碳鋼中因鐵素體塑性變形導致晶界碳化物開裂形成解理裂紋的理論 ， 其模型如 圖 412所示 ， 通常低碳鋼中碳化物難以塑性變形 ， 對位錯運動起到障礙作用 。 因此 、 鐵素體中的位錯源在切應力作用下開動 ， 位錯運動至晶界碳化物處受阻而形成塞積 ， 在塞積頭處拉應力作用下使碳化物開裂 。 圖 412 裂紋形成的 Smith模型 按 Stroh理論，碳化物開裂的力學條件為： ? ?21214?????????dE cif ?????式中 是碳化物開裂時的臨界有效切應力； 是碳化物的表面能； 是泊松比； d 是鐵素體晶粒直徑； E 是楊氏模量。 if ???c?? 由于鐵素體的表面能遠大于碳化物的表面能 ， 因此 ， 碳化物裂紋形成后能否繼續(xù)擴展進入鐵素體中 ， 主要取決于裂紋擴展時的能量變化 ， 只有系統(tǒng)所提供的能量大于 時 ， 碳化物裂紋才能向相鄰鐵素體中擴展 。 所以 ， 碳化物裂紋向鐵素體內擴展的條件應為： f?cf ?? ?? ?? ?21214??????????dE cfif ?????? （ 45） 上述條件一量成立 ， 則當材料一旦屈服時 ， 碳化物裂紋就會形成并擴展至斷裂 ， 這是斷裂過程被裂紋形成所控制的判據(jù) 。 如果斷裂過程為裂紋擴展所控制 ， 則采用類似 Cottrell的能量分析方法并忽略位錯的貢獻 ， 從而獲得裂紋擴展相應的力學條件為： （ 45） 式中： 為斷裂應力 ， 為碳化物厚度 ? ?? ?21214?????????ocfc CE?????c? 0C 綜上所述 ， 關于解理裂紋形成 ， 其基本思想都是基于： 當金屬材料的塑性變形過程受到嚴重限制時 （ 如晶界 、 夾雜或滑移方向改變等 ） ，材料以分離的方式而不是以形變的方式來順應外加的應力 ， 從而產生解理裂紋 ， 所以解理裂紋的萌生總伴有微量塑性變形 ， 其裂紋往往在晶界 、 亞晶界 、 孿晶交叉處出現(xiàn) 。 此外 ， 脆性析出物和溶質原子等也對促進基體中解理裂紋的萌生有重要影響 。 準解理小刻面不是晶體學解理面， 因此 ，準解理裂紋多萌生于晶內硬質點，其裂紋的擴展從解理臺階逐漸過渡向撕裂棱。 2. 沿晶脆性裂紋的萌生 金屬學理論通常認為晶界是強化的因素，即晶界鍵合力高于晶內，只有在晶界被弱化時才會產生沿晶斷裂。造成晶界弱化的基本原因通常有兩方面， 一方面 是材料本身的原因， 另一方面 是環(huán)境介質或高溫的促進作用。 由于 晶界及其晶格的不規(guī)則性，使晶界的能量比晶內高， 因此 ，晶界處常常是各種雜質或合金元素偏聚之地，容易出現(xiàn)第二相粒子，甚至形成連續(xù)的脆性薄膜； 使晶界處的機械、物理和化學性能與晶粒內部存在很大差別，加上環(huán)境、溫度和機械等外部因素，如應力腐蝕、低溫等，導致晶界結合力的下降，從而為破斷提供了與穿晶斷裂相比消耗較少能量的有利條件。 例如 晶界沉淀相造成的沿晶斷裂是由晶界的夾雜和第二相所造成的，斷裂時裂紋形成機制是通過這些沉淀相周圍形成微孔及相互連接而產生裂紋，結構鋼的過熱斷裂即是一個典型例子。 沿晶裂紋的萌生機理可用前述的位錯塞積理論解釋。 脆性裂紋的擴展 前面我們運用位錯理論討論了解理裂紋的形成 ， 但并不是說解理裂紋一經形成就能立即擴展導致斷裂 ， 解理斷裂過程經歷了 塑性變形產生裂紋 ； 裂紋在同一晶粒內初期長大 ； 裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴展 三階段 。 Cottrell用能量分析法推導出解理裂紋擴展的臨界條件為： （ 47） 式中 ： —— 外加正應力； n—— 塞積的位錯數(shù)； —— 位錯柏氏矢量的模 即 為了產生解理斷裂 ， 裂紋擴展時外加正應力所做的功必須等于產生的新裂紋表面的表面能 。 snb ?? 2??b? 在許多情況下 ， 前面討論的幾種裂紋成核機制所能形成的裂紋尺寸遠小于其臨界值 ， 只有當所形成的裂紋通過一定方式逐漸擴展到臨界尺寸時 ， 裂紋才會失穩(wěn)擴展 。 ? 裂紋擴展包括亞穩(wěn)擴展與失穩(wěn)擴展 。 裂紋亞穩(wěn)擴展是裂紋形成至臨界尺寸這一過程 ， 裂紋擴展速度緩慢；當裂紋擴展超過臨界尺寸后 ， 裂紋將發(fā)生失穩(wěn)快速擴展 。 ? 裂紋形成后 ， 隨裂紋尺寸增加 ， 裂尖應力場強度因子也在增加 ， 造成裂紋擴展過程中的應力應變場以及應力狀態(tài)的變化 ， 同時裂紋擴展阻力也在變化 ， 使裂紋擴展速度減慢或裂紋擴展困難而成為止裂裂紋 （ 非擴展裂紋 ） 。 ? 亞穩(wěn)擴展時 ， 裂紋總是沿著擴展阻力最小的路徑和方式而進行 。 故條件不同 ， 裂紋亞穩(wěn)擴展的方式 、 路徑 、 速度也各不相同 。 ? 脆性裂紋形成后能否繼續(xù)擴展到臨界尺寸 ，取決于應力大小及狀態(tài) 、 材料的性質與周圍環(huán)境介質等諸多因素 。 如果材料塑性變形能力差 ， 吸收形變功的能力小 ， 裂紋一旦形成 ， 無法通過塑性變形松馳應力集中而使裂紋鈍化；也無法松馳裂紋尖端所聚集的彈性應變能 。 ? 因此 ， 裂紋便可快速擴展導致材料脆性斷裂 。但是如果材料相同而應力狀態(tài)等外因不同時 ， 裂紋的擴展也會出現(xiàn)不同的情況 。 晶間斷裂 和 解理斷裂 都是裂紋作快速的不穩(wěn)定擴展的斷裂 。 但由于沿晶斷裂或解理斷裂的剪切變化量很小 ， 只有當裂紋穿過晶界或形成解理臺階時 ， 才有少量的塑性變形 ， 所以此類斷裂的放射花樣往往是很細的 。 若金屬材料處于極脆的狀態(tài)下斷裂 ， 即純粹的晶間或解理斷裂 ， 則放射線消失 。 脆性斷裂失效原因分析 根據(jù)歷史上重大脆性斷裂事故的記載及其失效分析 ， 發(fā)現(xiàn)脆性斷裂的主要原因有： 1. 應力分布 2. 溫度 3. 尺寸效應 4. 焊接質量 5. 環(huán)境 6. 材料化學成分與組織 最大拉應力與最大切應力對形變和斷裂起不同作用。最大切應力促進塑性變形，是位錯移動的 推動力 ，而最大拉應力則只促進脆性裂紋的擴展。當零件存在缺陷（ 如尖銳缺口、刀痕、預存裂紋、疲勞裂紋等 ）或零件的截面突然變化，這些部位往往引起應力集中而使應力分布不均勻，即造成三向拉應力狀態(tài)，極易導致脆性斷裂。 因此 ，應力集中的作用以及除載荷作用方向以外的拉應力分量是造成金屬零件在靜態(tài)低負荷下產生脆性斷裂的重要原因。 材料的 應力狀態(tài)越嚴重，則發(fā)生解理斷裂的傾向性越大 。 1. 應力分布 2. 溫度 溫度降低會引起材質本身的性能變化 ， 如鋼的屈服應力隨溫度降低而增加 ， 韌性下降 ，解理應力也隨著下降 。 對某些體心立方金屬及合金 ， 由于位錯中心區(qū)螺位錯非共面擴展為三葉位錯或兩葉位錯 ， 特別在低溫下 ， 這種結構的螺位錯難以交滑移 ， 使得派 納力 （ 在理想晶體中克服點陣阻力移動單位位錯所需的臨界切應力 ） 隨溫度的降低迅速升高 ， 這是這類材料的屈服強度或流變應力隨溫度降低而急劇升高即對溫度產生強烈依賴關系 ， 并因此導致材料脆化的主要原因 。 金屬零件發(fā)生低溫脆斷的基本條件是： ? （ 1） 所用材料屬于冷脆金屬； ? （ 2） 環(huán)境溫度較低 ， 即零件處在脆性轉變溫度 Tc以下的環(huán)境中工作； ? （ 3） 零件的幾何尺寸較大 ， 即處在平面應變狀態(tài) 。 此外 ， 當零件上存在顯微裂紋 、 缺口或大塊非金屬夾雜物等缺陷時 ， 會使 Tc提高 ， 從而促使零件在較高溫度下發(fā)生脆化 。 普通鑄鐵件 ， 硬度不高 ， 其基體為塑性很好的鐵素體或珠光體 ， 但由于晶粒粗大 ， 加之含有大量缺陷使 Tc顯著升高 ， 所以室溫條件下即可發(fā)生宏觀脆性的解理斷裂 。 3. 尺寸效應 眾所周知 ， 鋼板厚度對脆性斷裂有較大的影響 ， 厚鋼板的缺口韌性差已由實驗所證明 ，即隨鋼板厚度的增加 ， 脆性轉變溫度升高 ， 鋼材的缺口脆性增加 ， 其脆化原因一般認為： （ 1） 冶金質量 。 厚鋼板的冶金質量比薄鋼板差 ， 如厚板晶粒粗大 ， 偏析程度增加 ， 冶煉質量及組織不均勻 ， 使得厚板脆化傾向提高； （ 2）應力狀態(tài) 。鋼板厚度增加，即處于平面應 變狀態(tài)，從而使脆化傾向提高。如在給定溫度下，帶缺口的厚板可能是脆性的，而材料相同的帶缺口的薄板卻可能是韌性的。 4. 焊接質量 歷史上許多脆性斷裂事故往往出現(xiàn)在焊接構件中 。 影響焊接構件的脆斷因素主要有工作溫度 、應力狀態(tài) 、 缺陷尺寸 、 材料本身的韌性及焊接條件等 。 當焊接質量不好 ， 如存在 氣泡 、 非金屬夾雜 、 偏析 、 組織粗大 及 焊接裂紋 時 ， 這種缺陷的焊縫往往成為構件破壞的薄弱點 。 焊接接頭是由焊縫和熱影響區(qū)構成，其交界區(qū)域稱為 熔合線 。焊接接頭處常見的裂紋有； 熱裂紋 、 冷裂紋 以及焊接后熱處理所引起的 再生熱裂紋 。 焊接時，由于熱循環(huán)作用使焊接接頭區(qū)顯微組織發(fā)生變化，出現(xiàn)高碳馬氏體、貝氏體、粗大晶粒，甚至魏氏組織等，將使焊接接頭脆化；此外，焊接接頭區(qū)微量有害元素的偏聚以及氫含量的增加也使其韌性降低。 因此，焊接接頭處在焊接過程通常引起兩種脆化： ①焊接接頭區(qū)組織變化引起的韌性降低。如粗晶脆化、氫脆、石墨脆化等； ②焊接熱循環(huán)過程中發(fā)生的塑性應變所引起的熱應變時效脆化。 由它們二者引起的脆化必將影響到焊接構件的脆性斷裂行為。 5. 環(huán)境 某種環(huán)境可明顯增大材料對脆性斷裂的敏感性 。 當金屬零件承受拉應力作用 ， 在腐蝕介質中 ，同時又存在電化學腐蝕時 ， 極易導致早期脆性斷裂 （ 應力腐蝕開裂 ） 。 零件在加工或成形過程中 ， 如鑄造 、 焊接 、鍛造 、 壓力加工 、 機加工 、 熱處理等工序中會產生殘余應力 ， 當其中有較大的殘余拉應力時 ， 就可能在適當?shù)母g環(huán)境中引起破壞 ， 特別是在堿性介質下工作的金屬構件極易產生應力腐蝕而導致脆性斷裂 。 例如： 蒸汽鍋爐上鉚釘?shù)臄嗔?， 不銹鋼在海水 、硫化氫 、 鹽水溶液 、 苛性鈉溶液產生的應力腐蝕斷裂；銅合金在氨蒸汽 、 水蒸汽 、 氨的水溶液中產生的斷裂；鋁合金在氯化鈉水溶液 、 水蒸汽 、 海水等介質中的斷裂；鎂合金在氯化鈉 鉻酸鉀溶液中的斷裂；特別是高強度鐵素體鋼的氫脆以及高強度鋼構件如果在較低的靜負荷下發(fā)生突然脆性斷裂 ， 就應考慮是否發(fā)生了應力腐蝕而造成