金属断裂机理.pdf

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;

分类方法名称特征
根据断裂前脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形,断口形貌是光亮的
塑性变形大结晶状
小分类韧性断裂断裂前产生明显的塑性变形,断口形貌是暗灰色
纤维状
根据断裂面正断断裂的宏观表面垂直于σmax方向
的取向分类切断断裂的宏观表面平行于τmax方向
根据裂纹扩穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部
展的途径分沿晶断裂裂纹沿晶界扩展
类
根据断裂机解理断裂无明显塑性变形
理分类沿解理面分离,穿晶断裂
微孔聚集型沿晶界微孔聚合,沿晶断裂
断裂在晶内微孔聚合,穿晶断裂
纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂单晶体
通过缩颈导致最终断裂多晶体、高纯金属
断裂分类及其特征

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15mAcm2变体钢断裂面的形貌---兼有微孔聚合断裂和解理断裂

B30mAcm2种变体钢断裂面形貌---兼有韧窝和二次裂纹
以上图片是对“800C–Mn–Si超强度钢TRIP800steels”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TRIP800steels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