金属断裂原因分析

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极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极限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Z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Z大切应力方向相一致的切断，即与Z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Z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Z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Z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Z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)。

3、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极限，有的甚至低于屈服极限。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。

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Z大，结合力Z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极小的塑性变形;

(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。

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Z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。