断裂失效

断裂是金属材料在应力作用下材料分离为互不相连的两个或多个部分的现象。

金属材料的断裂过程一般有三个阶段，即裂纹的萌生，裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，*后是断裂。金属构件可能在材料制造、构件成形或使用阶段的不同条件下启裂、萌生裂纹;并受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。

金属构件断裂后，在断裂部位都有匹配的两个断裂表面，称为断口。断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息。通过断口分析可以判断断裂的类型、断裂过程的机理，从而找出断裂的原因和预防断裂的措施。

一、断裂失效的分类

按断裂前变形程度分类，分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂前产生明显的塑性变形，断裂过程中吸收了较多的能力，一般是在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。

脆性断裂前的变形量很小，不会出现明显的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。通常材料的塑性变形小于2%~5%的断裂均可称为脆性断裂。

按造成断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力的相对位置分类，可分为正断、切断及混合断裂。正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一般总是韧性的。

正断是指当外加作用力引起构件的正应力分量超过材料的正断抗力时发生的断裂。断裂面垂直于正应力或*大的拉伸应变方向。

切断是指当外加作用力引起构件的切应力分量超过材料在滑移面上的切断抗力时发生的断裂。断裂面平行于*大切应力或*大切应变方向，与*大正应力约呈45°交角。

按断裂过程中裂纹扩展所经的途径分为三类：沿晶断裂、穿晶断裂及混晶断裂。

沿晶断裂是指裂纹沿晶界扩展至断裂，沿晶断裂多属于脆性断裂。

穿晶断裂是指裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。穿晶断裂可以是韧性的也可以是脆性的。混晶断裂是指在多晶体金属材料的断裂过程中，多数是其裂纹的扩展既有穿晶型、也有晶间型的混晶断裂。如马氏体或回火马氏体材料的瞬间断裂。

按负荷的性质及应力产生的原因分为疲劳断裂和环境断裂。

疲劳断裂是指由于在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹，裂纹随后扩展导致的断裂。

环境因素(气相、液相腐蚀介质或氢)的作用引起形变和断裂的基元过程，从而导致应力脆断，因而以这种形式破坏失效的现象统称为环境断裂。环境断裂具体可分为应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking)、氢脆或氢致开裂(Hydrogen Induced Cracking)和腐蚀疲劳断裂(Corrosion Fatigue Cracking)三种。

按微观断裂机制可分为解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂及结合力弱化断裂。

解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，裂纹沿特定的结晶学平面扩展而导致的穿晶脆断，但有时也可沿滑移面或孪晶界分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。

韧窝断裂是指在外力作用下因微孔聚集相互连通而造成的断裂。结合力弱化断裂是指裂纹沿着出于各种原因而引起的结合力弱化所造成的脆弱区域扩展而形成的断裂。

二、韧性断裂

韧性断裂是指容器、管道在压力作用下，器壁上产生的应力超过材料的强度*限而发生显著的宏观塑性变形的断裂。

韧性断裂是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当多的能量。随着塑性变形的不断增加，承载截面积减小，至材料承受的载荷超过了强度*限σb时，裂纹扩展达到临界长度，发生韧性断裂。

韧性断裂有两种类型:一种是宏观断面取向与*大正应力相垂直的正断型断裂，又称平面断裂，这种断裂出现在形变约束较大的场合，如平面应变条件下的断裂；另一种是攻关断面取向与*大切应力方向相一致的切断，即与*大正应力约呈45°，又称斜断裂，这种断裂出现在滑移形变不受约束或约束较小的情况，如平面应力条件下的断裂。

韧性断裂断口形貌

（1）宏观形貌

在直径大的圆棒钢试样新断裂的金属灰色断口上能观察三个区：凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区、放射线纹理的灰色有光放射区及平滑丝光的亮灰色剪切唇区。

纤维区是材料内部处在平面应变三向应力作用下启裂，在试样中心形成很多小裂纹及裂纹缓慢扩展而形成。

纤维区外显示出平行于裂纹扩展的放射线状的纹理，这是中心裂纹向四周放射状快速扩展的结果，该区称为放射区。

当裂纹快速扩展到试样表面附近，由于试样剩余厚度很小，故变为平面应力状态，从而剩余的外围部分剪切断裂，断裂面沿*大切应力面和拉伸轴成45°，称为剪切唇区。

从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂的方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材料的性能。如纤维区较大，材料的塑性和韧性比较好，如放射区比较大，则材料的塑性降低，而脆性增大。

（2）微观形貌

滑断或纯剪切断口微观特征：（1）蛇形滑动、涟波状花纹；（2）大的塑性变形后滑移面分离造成；（3）涟波花样是蛇形滑动花样一步变形而平滑化的结果；（4）在缺口、纤维裂纹、孔洞等附近区域在力的作用下可发生纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征。

在某些金属材料中，尤其是杂质、缺陷少的金属材料，在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，因位向不同的晶粒之间的互相约束和牵制，不可能仅仅沿某一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏弯曲的条纹形貌，一般称为“蛇行花样”。

微孔聚集型断裂的微观特征：断口上有大量韧窝。材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔，进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂。

韧窝是指韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。根据受力状态的不同，通常可以出现三种不同形态的韧窝：

（1）在正应力(即垂直于断面的*大主应力)的均匀作用下，显微孔洞沿空间三个方向上的长大速度相同，因而形成等轴韧窝。拉伸试样断口的杯形底部和锥形顶部由等轴韧窝组成；

（2）在切应力(平行于断面的*大切应力)的作用下，塑性变形使显微孔洞沿切应力方向的长大速度达到*大，同时显微孔被拉长，形成抛物线状或半椭圆状的韧窝，这时两个的韧窝朝着相反方向，这种韧窝称为剪切韧窝。剪切韧窝通常出现在拉伸断口的剪切唇区。

（3）撕裂应力作用下出现伸长或呈抛物线状的韧窝，两个匹配面上的韧窝朝着相同的方向，称为撕裂韧窝。撕裂韧窝的方向指向裂纹源，而其反方向则是裂纹的扩展方向。剪切韧窝与撕裂韧窝的区别在于对应的两个断面上，其抛物线韧窝的方向不同，对剪切韧窝凸向相反，对撕裂韧窝凸向相同。

韧窝的大小和深浅，决定于材料断裂时微孔的核心数量和材料本身的相对塑性，如果微孔的核心数量很多或材料的相对塑性较低，则韧窝的尺寸较小或较浅；反之，韧窝的尺寸较大或较深。通常韧窝越大越深，材料的塑性越好。韧窝尺寸与夹杂物的大小直接相关，而正当夹杂物呈圆颗粒时，韧窝呈等轴状，当夹杂物呈条状时，韧窝也呈长条形。

当材料含有较多的第二相质点或夹杂物时，则在形成韧窝过程中，第二相质点或夹杂物往往存在于韧窝底部，形成的韧窝数量较多，而且较小。

产生韧性断裂的影响因素：（1）零件形状（圆形、板状、光滑与缺口试样）；（2）温度（随温度的降低，纤维区和剪切唇区减小，放射区增大）；（3）加载速率（速率越大，放射区增大）。

三、脆性断裂

脆性断裂是指容器在破裂时没有宏观塑性变形，器壁平均应力远没有达到材料的强度*限，有的甚至低于屈服*限。脆性断裂的发生条件：设备、容器本身存在缺陷或几何形状发生突变；存在一定的应力水平；材料的韧性很差。

（一）、脆性断裂的特征

（1）脆性断裂时，工作应力不高，往往低于材料的屈服点，甚至低于设计时的许用应力。

（2）中、低强度钢的脆性断裂一般在比较低的温度下发生，因此脆性断裂也称为“低温脆性断裂”。与面心立方金属比较，体心立方金属随温度的下降，塑性将明显下降，屈服力升高；

（3）脆性断裂从金属构件内部存在的裂纹作为裂纹源而开始。

（4）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在特定的条件下才会出现脆性断裂；

（5）脆性断裂一般沿低指数晶面穿晶解理。解理通过破坏原子的结合力来实现，而密排面之间的原子间隙*大，结合力*弱，故绝大多数解理面是原子密排面。

（6）破裂时无明显的塑性变形，破裂之前没有或只有局部*小的塑性变形；

（7）断口宏观分析呈金属晶粒状并有光泽，断口平直与主应力垂直；

（8）在较低温度发生，且材料韧性很差。

（二）、脆性断裂的断口形貌

（1）宏观形貌

断裂前无明显的塑性变形，断口附近无颈缩

断裂表面垂直于*大正应力方向；

断口平齐，无剪切唇；

断口上呈现小刻面；

断裂源点形成“人字条纹”或“山形条纹”

小刻面是指脆性解理断裂的断口呈平滑明亮结晶状。

根据断口人字条纹或山行条纹的图形可判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。人字条纹或山行条纹从细变粗的方向为裂纹扩展方向，相反的方向指向裂纹起源点。

（2）微观形貌

脆性断裂的微观形貌一般分为河流花样、扇形花样、舌状断口、鱼骨状花样；

河流花样实际上是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，河流条纹就是相当于各个解理平面的交割。河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游是裂纹源。

扇形花样：以裂纹源为中心单方向径向扩展，在焊接区冲击断口常见。

舌状花样：当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体变形以形变孪晶方式进行。舌状花样在低温冲击断口中易出现。

（三）、脆性断裂的影响因素

（1）应力状态与缺口效应

应力状态是指构件内应力的类型、分布、大小和方向。不同的应力状态对脆性断裂有不同的影响，如*大拉伸应力和*大切应力对形变和断裂起不同的作用。*大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；而*大拉伸应力则只促进脆性裂纹的扩展。因此，*大拉应力与*大切应力的比值越大，构件失效脆性断裂的可能性越大，在三向拉伸应力状态下比值越大，*易导致脆性断裂。

在实际金属构件中，常见由于应力分布不均匀而造成三向应力状态，如构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，周围区域为了保持变形协调，便对高应力区以约束，即造成三向拉伸应力状态。这是造成金属构建在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。

（2）温度

低温下造成构件的脆性断裂是由温度的改变而引起材料本身的性能变化。随着温度的降低，金属材料屈服应力增加，韧性下降，解理应力下降；当温度在材料脆性转变温度以下时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由原来的正常韧性断裂转为脆性断裂。

（3）尺寸效应

钢板厚度增加，脆性转变温度升高，缺口脆性增加；关于板厚的脆化原因一般认为与冶金质量和应力状态有关。

（4）焊接质量

焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等，而切中焊接裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要作用。

（5）工作介质

金属构件在腐蚀介质中，受应力（尤其是拉应力）作用，同时又有电化学腐蚀时，*易导致早起脆性断裂；

（6）材料和组织因素

脆性材料、冶金质量差、氢脆倾向的材料以及缺口敏感性大的钢种都能促使发生脆性断裂；不良热处理产生脆性组织状态，如组织偏析、脆性相析出、晶间脆性析出物、淬火裂纹、淬火后消除应力处理不及时或不充分等也能促进脆性断裂的发生。

（四）、预防脆性断裂的途径

（1）温度是引起构件脆断的重要因素之一，设计者必须考虑构件的*低工作温度应高于材料的脆性转变温度。若所设计的构件工作温度较低，甚至低于该材料的脆性转变温度，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹扩展的水平；若其设计应力不能降低，则应更换材料。选择韧性更高、脆性转变温度更低的材料；

（2）设计者在选择材料时，除考虑材料的强度外，还应保证材料有足够的韧性。应该从断裂力学的观点来选择材料，若材料有较高的断裂韧性时，则构件中允许有较大的缺陷存在；

（3）为减少构件脆性断裂，在设计时应使缺陷产生的应力集中减小到*低限度，如减少尖锐角，消除未焊透的焊缝，结构设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性(因为在结构不连续的过渡部位往往使构件应力集中而形成高应力区)；过渡段的连接应采用正确的焊接方法；

（4）尽量减少焊接产生的缺陷。这种设计包括选择适当的焊缝金属缺口韧性，焊接预热和焊后的热处理制度，适当设计焊接条件以减少缺陷。

四、疲劳断裂

金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材料的抗拉强度，优势甚至低于屈服*限，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然的断裂，这种断裂称为疲劳断裂，疲劳断裂是脆性断裂的一种形式。

（一）疲劳断裂的现象及特征

①疲劳负荷是交变负荷。

②金属构件在交变负荷作用下，一次应力循环对构件不产生明显的破坏作用，不足以使构件发生断裂。构件疲劳断裂是在负荷经多次循环以后发生，高周疲劳断裂的循环次数Nf>104，而低周疲劳断裂的循环次数较少，一般Nf=102~104。疲劳断裂应力还小于抗拉强度σb，其值也小于屈服点σs。

③疲劳断裂只可能在有使材料分离扯开的反复拉伸应力和反复切应力的情况下出现。纯压缩负荷不会出现疲劳断裂，疲劳起源点往往出现在*大拉应力处。

④疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。

疲劳裂纹的萌生：大量研究表明，疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷、工艺缺陷等。金属构件由于受到交变负荷的作用，金属表面晶体在平行于*大切应力平面上产生无拘束相对滑移，产生了一种复杂的表面状态，常称为表面的“挤出”和“挤入”现象，当金属表面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。

疲劳裂纹的扩展：疲劳裂纹扩展的*阶段为切向扩展阶段，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°方向的滑移面扩展。疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段。在交变应变作用下，疲劳裂纹从原来与拉伸轴呈45°的滑移面，发展到与拉伸轴呈90°。即由平面应力状态转变为平面应变状态，这一阶段中*突出的显微特征是存在大量的、相互平行的条纹，称为“疲劳辉纹”。

疲劳裂纹在第二阶段扩展到一定深度后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展。当剩余面积小到不足以承受负荷时，在交变应力作用下，即发生突然的瞬时断裂，其断裂过程同单调加载的情形相似。疲劳断裂与其他一次负荷断裂有所区别，它是一种累进式断裂。

⑤即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。

（二）疲劳断裂的断裂形貌

（1）宏观形貌

起源区：即为疲劳裂纹萌生区。这个区域在整个疲劳断口中所占的比例很小。通常就是指断面上疲劳花样放射源的中心点或疲劳弧线的曲率中心点。疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位。一般情况下，一个疲劳断口有一个疲劳源。疲劳区中磨得*亮的地方即是疲劳源（疲劳核心），位于零件强度*低或应力*高的地方。

扩展区：在此区中常可看到有如波浪推赶海岸沙滩而形成的"沙滩花样"，又称"贝壳状条纹"、"疲劳弧带"等，这种沙滩花样是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，每一条条带的边界是疲劳裂纹在某一个时间的推进位置，沙滩花样是由于裂纹扩展时受到障碍，时而扩展、时而停止，或由于开车停车、加速减速、加载卸载导致负荷周期性突变而产生。

疲劳裂纹扩展区是在一个相当长时间内，在交变负荷作用下裂纹扩展的结果。拉应力使裂纹扩张，压应力使裂纹闭合，裂纹两侧反复张合，使得疲劳裂纹扩展区在客观上是一个明亮的磨光区，越接近疲劳起源点越光滑。如果在宏观上观察到沙滩花样时，就可判别这个断口是疲劳断裂。多源疲劳的裂纹扩展区，各个裂源不一定在一个平面上，随着裂纹扩展被此相连时，同的平面间的连接处形成疲劳台阶或折纹。疲劳台阶越多，表示其应力或应力集中越大。

断裂区：当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，构件承载截面减小至强度不足引起瞬时断裂，该瞬时断裂区域是*终断裂区。*终断裂区的断口形貌较多呈现宏观的脆性断裂特征，即粗糙"晶粒"状结构，其断口与主应力基本垂直。只有当材料的塑性很大时，*终断裂区才具有纤维状的结构，并出现较大的45°剪切唇区。

（2）微观形貌

微观形貌主要分为疲劳辉纹、轮胎压痕花样。

①疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状。并与裂纹微观扩展方向相垂直。裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧。辉纹的间距在很大程度上与外加交变负荷的大小有关，条纹的清洗度则取决于材料的韧性。因此，高应力水平比接近疲劳*限应力下更易观察到疲劳辉纹。

②每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过程中的瞬时微观位置。裂纹三个阶段有不同的微观特征：疲劳起源部位由很多细滑线组成，以后形成致密的条纹，随着裂纹的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。

③疲劳辉纹可分为韧性辉纹和脆性辉纹两类。脆性疲劳辉纹的形成与裂纹扩展中沿某些解理面发生解理有关，在疲劳辉纹上可以看到把疲劳辉纹切割成一段段的解理台阶，因此脆性疲劳辉纹的间距呈不均匀，断断续续状。韧性疲劳辉纹较为常见，它的形成与材料的结晶之间无明显关系，有较大塑性变形，疲劳辉纹的间距均匀规则。

④疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不同的小断片组成。疲劳辉纹均匀分布在断片上，每一小断片上的疲劳辉纹连续且互相平行分布，但相邻断片上的疲劳辉纹不连续、不平行。

⑤疲劳辉纹中每一条辉纹一般代表依次载荷循环，辉纹的数目与载荷循环次数相等。

⑥轮胎压痕花样是由于疲劳断口的两个匹配断面之间重复冲击和相互运动所形成的机械损伤，也可能是由于松动的自由粒子在匹配断裂面上作用留下的微观变形痕迹。轮胎压痕花样不是疲劳本身的形态，但却是疲劳断裂的一个表征方法。