金属有哪些断裂类型？

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金属的断裂类型可以从多个角度进行分类，主要依据是断裂前的宏观塑性变形程度、微观断裂路径、断裂模式以及载荷和环境条件。

一、根据断裂前宏观塑性变形程度

1.  韧性断裂

主要特点：断裂前发生显著的塑性变形，如颈缩，拉长。

断裂过程：在应力作用下，材料内部产生微孔洞——通常源于夹杂物或第二相粒子，微孔洞长大并连接，最终导致断裂。

断口特征：宏观上看，断口表面比较暗淡，呈纤维状或鹅毛绒状，一般有剪切唇。拉伸试样有明显的颈缩。

微观特征：具有典型的韧窝结构，韧窝是微孔洞在断裂表面留下的凹坑状形貌。

能量吸收：断裂需要消耗大量的能量——塑性功。

危害性：相对较低，断裂前有预警，有明显变形。

最典型的例子如低碳钢在室温下的拉伸断裂。见图1。

2.  脆性断裂

主要特点：断裂前没有或仅有极微小的宏观塑性变形，断面颈缩不明显。断裂发生时几乎没有先兆和预警。

断裂过程：通常是原子键在正应力作用下快速、直接地分离，裂纹扩展迅速。

断口特征：宏观上看断口表面平整、光亮，呈结晶状或颗粒状，有时可见人字纹或放射状条纹，指向裂纹源。拉伸试样断口无明显颈缩。

微观特征：具有解理台阶、河流花样或冰糖状形貌（沿晶断裂）。

能量吸收：断裂时消耗的能量很少。

危害性：极高，破坏具有突发性和灾难性。脆性断口见图2。

低温下的体心立方金属如低温下的钢铁、存在严重应力集中或缺陷的材料、某些高强度材料等，容易发生脆性断裂。

二、根据微观断裂路径

1.  穿晶断裂

断裂特点：裂纹穿过晶粒内部扩展。

断裂类型：可以是韧性的如微孔聚集型穿晶断裂，形成韧窝，或者脆性的，如解理断裂。

解理断裂：一种特定的穿晶脆性断裂，沿特定的结晶学平面——解理面快速分离，微观上可见河流花样、解理台阶等特征。常见于低温、高应变速率或存在三向拉应力的体心立方和密排六方金属。

2.  沿晶断裂

断裂特点：裂纹沿着晶粒边界扩展。

产生原因通常由晶界弱化引起，原因包括晶界析出有害相，杂质元素在晶界偏聚，以及环境因素，如应力腐蚀、氢脆、高温蠕变。

断口特征：微观上呈现“冰糖块”状或多面体状形貌。

性质：多为脆性断裂，但也有韧性沿晶断裂（较少见）。图3为韧性沿晶断口。

图3

三、根据断裂模式（应力状态与断裂面取向）

1.  正断

断裂特点：断裂面垂直于最大主应力方向。

应力状态：主要由正应力（拉应力）引起。

断裂性质：通常表现为解理断裂、沿晶断裂等脆性断裂，但也可能是韧性断裂（拉伸断口中心纤维区）。

2.  切断

断裂特点：断裂面平行于最大切应力方向，与最大主应力方向呈45°角。

应力状态：主要由切应力引起。

断裂性质：通常是韧性断裂，如拉伸断口的剪切唇、纯剪切断口。

例如扭转断裂通常为切断。纯剪切断裂示意图见图4。

图4

四、根据载荷性质和环境因素

1.  疲劳断裂

断裂特点：在应力幅低于静载屈服强度的交变应力长期作用下发生的断裂。

断裂过程：裂纹在应力集中处萌生，并在交变应力下稳定扩展，最终发生失稳断裂。

断口特征：宏观可见疲劳贝纹线；微观可见疲劳扩展辉纹。

断裂性质：即使是韧性材料，疲劳断裂宏观上也常表现为无明显塑性变形的“脆性”断裂。疲劳断口见图5。

图5

2.  应力腐蚀断裂

断裂特点：在拉应力和特定腐蚀介质联合作用下发生的脆性断裂。

断裂过程：腐蚀环境促进裂纹萌生和扩展，拉应力加速腐蚀过程。

断口特征：宏观脆性，断面上常可见腐蚀产物。

3.  氢脆断裂

断裂特点：由于氢原子进入金属内部，降低其塑性和韧性，在应力作用下发生的延迟脆性断裂。

断裂过程：氢原子在应力梯度驱动下富集于缺陷处，如夹杂物部位，偏析带等，降低原子键合力或促进局部塑性变形，导致开裂。

断口特征：宏观脆性，微观多为沿晶（如高强度钢）或穿晶解理（如钛合金）。断口上可能有“鸡爪纹”等特征。

断裂类型：氢环境脆化、内部氢脆、氢反应脆化等。

4.  蠕变断裂

断裂特点：金属在高温下承受恒定载荷或恒定应力时，随时间推移发生缓慢而持续的塑性变形（蠕变），最终导致断裂。

断裂过程：高温下晶界强度下降，晶界滑动、迁移，形成孔洞并连接成裂纹。

断口特征：宏观上可能有颈缩，但塑性变形量通常不如室温韧性断裂大。微观主要为沿晶断裂，断口上有蠕变孔洞。

5.  过载断裂

断裂特点：由单一或少数几次超过材料承载极限的载荷（静载或冲击）引起的断裂。

断裂类型：可以是韧性断裂，如室温下塑性材料的拉伸过载，也可以是脆性断裂，如低温或冲击载荷下。

五、结论

金属断裂的主要分类依据是宏观塑性变形程度，从而区分是韧性还是脆性，以及微观断裂路径，是穿晶还是沿晶。

韧性断裂伴随显著塑性变形，微观为韧窝；脆性断裂无显著塑性变形，微观为解理或沿晶。

穿晶断裂穿越晶粒；沿晶断裂沿晶界扩展。

其他重要类型包括疲劳断裂，主要受交变应力；应力腐蚀断裂受，主要是拉应力+腐蚀介质双重作用；氢脆断裂，受氢+应力共同作用；蠕变断裂，主要是高温+恒载作用。

实际工程构件的断裂往往是多种机制共同作用的结果，例如，疲劳断裂最终失稳区可能是韧窝，且有明显塑性变形，而扩展区是疲劳条带，呈脆性断裂特征。

理解金属的断裂类型对于材料选择、结构设计、失效分析和预防灾难性事故至关重要。