【正文】 面的宏觀取向與應(yīng)力的相對位置分類 當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的 正應(yīng)力分量超過材料的正斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂 。斷裂面垂直于正應(yīng)力或最大的拉伸應(yīng)變方向。 當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的 切應(yīng)力分量超過材料在滑移面上的切斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂。 斷裂面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向，與最大正應(yīng)力約呈 45。 交角。 正斷可能是脆性的，也可能是韌性的，而切斷一般總是韌性的。 表 31不同類型負(fù)荷下的斷裂形式 表 31不同類型負(fù)荷下的斷裂形式 (3)按斷裂過程中裂紋擴(kuò)展所經(jīng)的途徑分類 裂紋沿晶界擴(kuò)展至斷裂。沿晶斷裂多屬脆性斷裂。 b 穿晶斷裂 裂紋的萌生和擴(kuò)展穿過晶粒內(nèi)部的斷裂。穿晶斷裂可以是韌性的也可以是脆性的。 c 混晶斷裂 在多晶體金屬材料的斷裂過程中，多數(shù)是其裂紋的擴(kuò)展既有穿晶型、也有晶間型的混晶斷裂。如馬氏體或回火馬氏體材料的瞬間斷裂。 (4)按負(fù)荷的性質(zhì)及應(yīng)力產(chǎn)生的原因分類 材料在交變負(fù)荷下發(fā)生的斷裂 材料在環(huán)境作用下引起的低應(yīng)力斷裂。主要包括應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。 (5)按微觀斷裂機(jī)制分類 在正應(yīng)力 (拉力 )作用下，裂紋沿特定的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展而導(dǎo)致的穿晶脆斷，但有時(shí)也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。 b. 韌窩斷裂 在外力作用下因微孔聚集相互連通而造成的斷裂。 c. 疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下以疲勞輝紋為標(biāo)志的斷裂。 d. 蠕變斷裂 材料在一定溫度下，恒載經(jīng)一定時(shí)間后產(chǎn)生累進(jìn)式形變而導(dǎo)致的斷裂。 裂紋沿著出于各種原因而引起的結(jié)合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴(kuò)展而形成的斷裂。 韌性斷裂 在構(gòu)件斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。 1)韌性斷裂特征 韌性斷裂是一個(gè) 緩慢的斷裂過程 ，塑性變形與裂紋成長同時(shí)進(jìn)行。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢，材料在斷裂過程中需要 不斷消耗相當(dāng)多的能量 。隨著塑性變形的不斷增加，承載截面積減小，至材料承受的載荷超過了強(qiáng)度極限σb時(shí)，裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界長度，發(fā)生韌性斷裂。 韌性斷裂有兩種類型： 一種是 宏觀斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直的 正斷型斷裂，又稱平面斷裂 ，這種斷裂出現(xiàn)在形變約束較大的場合，如 平面應(yīng)變 條件下的斷裂； 另一種是 宏觀斷面取向與最大切應(yīng)力方向相一致的切斷，即與最大正應(yīng)力約呈 45176。 角，又稱 斜斷裂 ，這種斷裂出現(xiàn)在滑移形變不受約束或 約束較小 的情況，如 平面應(yīng)力 條件下的斷裂。 工程構(gòu)件最常出現(xiàn)的兩種韌性斷裂宏現(xiàn)形貌 2）韌性斷裂的斷口形貌 (1)韌性斷裂斷口宏現(xiàn)形貌 在直徑大的圓棒鋼試樣新斷裂的金屬灰色斷口上能觀察到 三個(gè)區(qū)： 凹凸不平暗灰色且無光澤的 纖維區(qū) 、放射線紋理的灰色有光 放射區(qū) 及平滑絲光的亮灰色 剪切唇區(qū) 。 纖維區(qū) 是材料內(nèi)部處在 平面應(yīng)變?nèi)驊?yīng)力 作用下啟裂，在試樣中心形成很多小裂紋及裂紋緩慢擴(kuò)展而形成的。纖維區(qū)外顯示出平行于裂紋擴(kuò)展的放射線狀的紋理，這是 中心裂紋向四周放射狀快速擴(kuò)展的結(jié)果， 該區(qū)稱為 放射區(qū) 。當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展到試樣表面附近時(shí)，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)?平面應(yīng)力狀態(tài) ，從而剩余的外圍部分剪切斷裂。斷裂面沿最大切應(yīng)力面和拉伸軸成 45。 角，此區(qū)稱為 剪切唇區(qū) 。 從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征 可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質(zhì) ，有助于判斷失效的機(jī)理及找出失效的原因。根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步 評價(jià)材料的性能 。 如纖維區(qū)較大，材料的塑性和韌性比較好；如放射區(qū)比較大，則材料的塑性降低，而脆性增大 。 (2)韌性斷裂斷口微觀形貌 韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀，在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)。 ①韌窩的分類。 根據(jù)受力狀態(tài)的不同，通?？梢猿霈F(xiàn)三種不同形態(tài)的韌窩。 等軸韌窩 在 正應(yīng)力 (即垂直于斷面的最大主應(yīng)力 )的均勻作用下，顯微孔洞沿空間 三個(gè)方向上的長大速度相同 ，因而形成等軸韌窩。拉伸試樣斷口的杯形底部和錐形頂部就是由等軸韌窩組成的。 剪切韌窩 在 切應(yīng)力 (平行于斷面的最大切應(yīng)力 )的作用下、塑性變形使顯微孔洞沿切應(yīng)力方向的長大速度達(dá)到最大，同時(shí)，顯微孔被拉長， 形成拋物線狀或半橢圓狀的韌窩 ，這時(shí)兩個(gè)匹配面上的韌窩朝著 相反方向 ，這種韌窩稱為剪切韌窩。剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的 剪切唇區(qū) 。 撕裂韌窩 撕裂應(yīng)力 作用下出現(xiàn) 伸長的或呈拋物線 狀的韌窩。此時(shí)兩個(gè)匹配面上的韌窩朝著 相同的方向 ，這種韌窩稱為撕裂韌窩。撕裂韌窩的方向指向裂紋源，而其反方向則是裂紋的擴(kuò)展方向。撕裂韌窩與剪切韌窩在形貌上沒有什么不同，大多是長形、拋物線狀。只是在對應(yīng)的兩個(gè)斷面上，其拋物線韌窩的方向不同，對剪切韌窩凸向相反，對撕裂韌窩凸向相同。 等軸韌窩與拉長韌窩的電子斷口形貌 ② 韌窩的大小和深淺 ， 決定于材料斷裂時(shí)微孔的核心數(shù)量和材料本身的相對塑性 ，如果微孔的核心數(shù)量很多或材料的相對塑性較低，則韌窩的尺寸較小或較淺；反之，韌窩的尺寸較大或較深。 通常韌窩越大越深，材料的塑性越好。 韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關(guān)，而正當(dāng)夾雜物呈圓顆粒時(shí)，韌窩呈等軸狀，當(dāng)夾雜物呈條狀時(shí)，韌窩也呈長條形。 ③韌窩數(shù)量的多少取決于顯微孔洞數(shù)目的多少。 當(dāng)材料含有較多的第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物時(shí)，則在形成韌窩過程中，第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物往往存在于韌窩底部，形成的韌窩數(shù)量較多，而且較小。 b．蛇行花樣 在某些金屬材料中，尤其是雜質(zhì)、缺陷少的金屬材料，在較大的塑性變形后，沿滑移面剪切分離， 因位向不同的晶粒之間的相互約束和牽制， 不可能僅僅沿某一個(gè)滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移。 形成起伏彎曲的條紋形貌，一般稱為“蛇行花樣” 。 3）產(chǎn)生韌性斷裂的影咱因素及防止措施 韌性斷裂的 原因 多是各種影響因素造成的材料強(qiáng)度不足，如構(gòu)件受到較大的載荷或過載、局部應(yīng)力集中等。 預(yù)防的措施如下： ① 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮構(gòu)件的承載能力，在可能的情況下設(shè)計(jì)變形限位裝置或者增加變形保護(hù)系統(tǒng)等，盡可能使塑性變形不要發(fā)展為斷裂。 ② 操作時(shí)保持儀表完好的狀態(tài)，準(zhǔn)確顯示操作工況。 ③ 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，嚴(yán)禁超載、超溫、超速等。 ④ 隨時(shí)注意有無異常變形。 ⑤ 定期測厚，尤其有腐蝕、高溫氧化等引起壁厚減薄的工況。 脆性斷裂 (1)脆性斷裂的特征 ① 脆性斷裂時(shí)工作應(yīng)力是不高的，往往低于材料的屈服點(diǎn)，甚至低于設(shè)計(jì)時(shí)的許用應(yīng)力。 ② 中、低強(qiáng)度鋼的脆性斷裂一般是在 比較低的溫度下發(fā)生的 ，因此人們也把脆性斷裂叫做 “低溫脆性斷裂”。 與面心立方金屬比較，體心立方金屬隨溫度的下降，塑性將明顯下降，屈服應(yīng)力升高。 ③ 脆性斷裂是從金屬構(gòu)件內(nèi)部存在的 裂紋作為裂紋源 而開始的。 ④ 脆性斷裂通常在 體心立方和密排六方金屬材料中出現(xiàn) ，而面心立方金屬材料只有在特定的條件下才會出現(xiàn)脆性斷裂。 ⑤ 脆性斷裂一般 沿低指數(shù)晶面 穿晶解理， 解理是金屬在正應(yīng)力的作用下沿解理面發(fā)生的一種低能斷裂 。由于解理是通過破壞原子間的接合力來實(shí)現(xiàn)的，而 密排面之間的原子間隙最大 ，接合力最弱，故絕大多數(shù)解理面是原子密排面。 (2)脆性斷裂的斷口形貌 a．?dāng)嗫诘暮戡F(xiàn)形貌 小刻面 脆性解理斷裂的斷口是平滑明亮結(jié)晶狀的。 人字條紋或山形條紋 脆性解理斷口還具有另一特殊的宏觀形貌特征，即 從斷裂源點(diǎn)形成“人字條紋“或“山形條紋” 。隨著裂紋的發(fā)展，人字條紋或山形條紋變粗。 因而根據(jù)斷口人字條紋或山形條紋的圖形可以判斷脆性斷裂的裂紋擴(kuò)展方向和尋找斷裂起源點(diǎn)。 人字條紋或山形條紋從細(xì)變租的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展的方向；相反的方向，指向裂紋起源點(diǎn)。這個(gè)判斷方法對于尋找脆性斷裂源，從而正確分析失效原因是有實(shí)際意義的。 實(shí)例 ，美國順納德球形儲氫壓力容器 (直徑 )爆炸成為 20個(gè)碎片，斷口呈人字條紋，脆性斷裂總長達(dá) 198m。失效分析工作者將 20個(gè)碎片拼合，根據(jù)斷口人字條紋矢形方向匯集到清掃孔A、 B、 C處從而斷定裂紋源于清掃孔處。 b．?dāng)嗫诘奈⒂^形貌 河流花樣 實(shí)際上是斷裂面上的微小解理臺階在圖像上的表現(xiàn)，河流條紋就是相當(dāng)于各個(gè)解理 平面的交割。 河流條紋的流向也是裂紋擴(kuò)展的方向，河流的上游 (即河流分叉方向 )是裂紋源。 舌狀花樣 當(dāng)材料的脆性大、溫度低，臨界變形困難，晶體變形以形變孿晶方式進(jìn)行。 其他花樣 有羽毛花樣、青魚骨狀花樣及瓦納線花樣。 (3)脆性斷裂的影響因素 a．應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng) 應(yīng)力狀態(tài)是指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。不同的應(yīng)力狀態(tài)對脆性斷裂有不同的影響，如最大拉伸應(yīng)力和最大切應(yīng)力對形變和斷裂起不同的作用。 最大切應(yīng)力促進(jìn)塑性滑移的發(fā)展 ，是位錯(cuò)移動的推動力，它對形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過程都產(chǎn)生影響； 而最大拉伸應(yīng)力則只促進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展 。 因此，最大拉應(yīng)力與最大切應(yīng)力的比值越大，構(gòu)件失效脆性斷裂可能性越大，在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下比值最大，極易導(dǎo)致脆性斷裂。 在實(shí)際金屬構(gòu)件中，常見由于 應(yīng)力分布不均勻而造成三向應(yīng)力狀態(tài) ，如構(gòu)件的截面突然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應(yīng)力集中而引起應(yīng)力不均勻分布，周圍區(qū)域?yàn)榱吮３肿冃螀f(xié)調(diào)，便對高應(yīng)力區(qū)以約束，即造成三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。 這是造成金屬構(gòu)件在靜態(tài)低負(fù)荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要原因。 b．溫度 低溫下造成構(gòu)件的脆性斷裂是由于溫度的改變而引起材料本身的性能變化。隨著溫度的降低，鋼的屈服應(yīng)力增加，韌性下降，解理應(yīng)力也隨著下降。當(dāng)溫度在材料脆件轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，材料的解理應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，材料的斷裂由原來的正常韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。 c．尺寸效應(yīng) 隨著鋼板厚度的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。鋼件的缺口脆性增加；關(guān)于板厚的脆化原因一般認(rèn)為與 冶金質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。 d 焊接質(zhì)量 焊接缺陷一般有夾雜、氣孔、未焊透和焊接裂紋等，而其中焊接裂紋的存在對焊接構(gòu)件的斷裂起著重要作用。 e．工作介質(zhì) 金屬構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)中，受應(yīng)力 (尤其拉應(yīng)力 )作用，同時(shí)又有電化學(xué)腐蝕時(shí)，極易導(dǎo)致早期脆性斷裂。 f．材料和組織因素 脆性材料、劣等冶金質(zhì)量、有氫脆傾向的材料以及缺口敏感性大的鋼種都能促使發(fā)生脆性斷裂；不良熱處理產(chǎn)生脆性組織狀態(tài)，如組織偏析、脆性相析出、晶間脆性析出物、淬火裂紋、淬火后消除應(yīng)力處理不及時(shí)或不充分等也能促進(jìn)脆性斷裂的發(fā)生。 (4)預(yù)防脆性斷裂的途徑 ① 溫度 是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一， 設(shè)計(jì)者必須考慮構(gòu)件的最低工作溫度應(yīng)高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度 。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度較低，甚至低于該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會發(fā)生裂紋擴(kuò)展的水平；若其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料。選擇韌性更高、脆性轉(zhuǎn)變溫度更低的材料。 ② 設(shè)計(jì)者在 選擇材料 時(shí)，除考慮材料的強(qiáng)度外，還應(yīng)保證材料有足夠的韌性。應(yīng)該從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性 時(shí)，則構(gòu)件中允許有較大的缺陷存在。 ③ 為減少構(gòu)件脆性斷裂，在 設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)使由缺陷所產(chǎn)生的 應(yīng)力集中減小 到最低限度；如減少尖銳角；消除未焊透的焊縫；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性 (因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)的過渡部位往往使構(gòu)件應(yīng)力集中而形成高應(yīng)力區(qū) )；過渡段的連接應(yīng)采用正確的焊接方法。 ④ 盡量 減少由焊接產(chǎn)生的缺陷 。這種設(shè)計(jì)包括選擇適當(dāng)?shù)暮缚p金屬缺口韌性，焊接預(yù)熱和焊后的熱處理制度，適當(dāng)設(shè)計(jì)焊接條件以減少缺陷。 疲勞斷裂 金屬構(gòu)件在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平 低于金屬材料的抗拉強(qiáng)度，有時(shí)甚至低于屈服極限 ，但經(jīng)過一定的循環(huán)周期后，金屬構(gòu)件會發(fā)生突然的斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是脆性斷裂的一種形式。 (1)疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征 ①疲勞負(fù)荷是交變負(fù)荷。 ② 金屬構(gòu)件在交變負(fù)荷作用下，一 次應(yīng)力循環(huán)對構(gòu)件不產(chǎn)生明顯的破壞作用，不足以使構(gòu)件發(fā)生斷裂。 構(gòu)件疲勞斷裂是在負(fù)荷經(jīng)多次循環(huán)以后才發(fā)生的，高周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù) Nf＞ 104，而低周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)較少，一般 Nf＝ 102~104。疲勞斷裂應(yīng)力還小于抗拉強(qiáng)度 σb，其至也小于屈服點(diǎn) σs。 高周疲勞斷裂應(yīng)力水平，一般 σf＜ σs，也稱低應(yīng)力疲勞；而低周疲勞斷裂應(yīng)力水平較高，一般 σf≥ σ s ，往往有塑性應(yīng)變發(fā)生，也稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。 ③ 疲勞斷裂只可能在有使材料分離扯開的反復(fù)拉伸應(yīng)力和反復(fù)切應(yīng)力的情況下出現(xiàn)。 純壓縮負(fù)荷不會出現(xiàn)疲勞斷裂，疲勞起源點(diǎn)往往出現(xiàn)在最大拉應(yīng)力處。 ④疲勞斷裂過程包括疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。 疲勞裂紋的萌生