金属断裂机理

金属材料的疲劳断裂机理解析

疲劳断裂是一种金属材料在受到反复加载后，由于应力集中作用而在载荷作用下出现的断裂现象。在工程应用中，经常会受到相反方向的交替载荷的作用，这样会引起疲劳断裂问题。因此，了解金属材料的疲劳断裂机理对于确保工程结构的安全可靠性至关重要。

疲劳断裂机理的研究历史可以追溯到20世纪初期，最初是在航空领域进行的。人们开始注意到，航空器上的零件由于反复加载而发生疲劳断裂，如轴、桁架、螺栓等零部件。在研究中，人们发现疲劳断裂与材料中的微观缺陷有关。这些缺陷可以是材料内的夹杂、异相、孔洞、裂纹等，也可以是表面上的裂纹、腐蚀痕迹等。

对于金属材料疲劳断裂机理的研究，人们通常采用线应力范围S-N曲线进行实验研究。这种曲线是将载荷幅值S和疲劳寿命N以双对数坐标轴上绘制，研究者根据实验结果绘制不同应力幅值下的S-N曲线。在这种曲线上可以找到最小疲劳强度极限，也就是金属可以承受多少次疲劳循环，最终导致疲劳断裂。线应力范围S-N曲线的研究是设计金属零部件的必要环节之一，只有在了解材料特性中的疲劳强度极限和影响因素之后，才能够准确地进行零部件的设计。

在实际的工程应用中，疲劳断裂机理是多种多样的。因此，根据组织结构不同，疲劳断裂机理也有所不同。下面我们对金属材料的疲劳断裂机理进行详细分析：

1. 基体内夹杂贡献

金属材料中的夹杂是人工制备和自然形成的，包括铁锈、铝夹杂、夹杂物等。这些夹杂在载荷作用下可以引起应力集中作用，从而在周围材料中形成一个高应力集中区域。当这个区域受到一定数量的冲击时，就会导致夹杂物内部的微裂纹增长。这些微裂纹随着载荷的增加而逐渐扩展，最终导致疲劳断裂。

2. 不均匀形变贡献

金属材料在受到载荷作用时，所受到的变形十分不均匀。在材料中，往往存在一些应力集中区域，这些区域所受到的变形也会比周围的区域更大。这种不均匀形变会导致表面裂纹、夹杂物等缺陷的内部发生更多的塑性变形，因此这些缺陷的情况也会随着时间的推移变得更加严重。随着疲劳循环次数的增加，所有区域中的塑性变形差异越来越大，最终在夹杂物或者表面裂纹中形成了裂纹，导致材料的疲劳断裂。

金属材料塑性变形与断裂的关系

摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。

关键词：塑性变形 解理断裂 准解理断裂 沿晶断裂 冷脆 疲劳 应力腐蚀

氢脆 高温断裂

一、 解理断裂与塑变的关系

解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。

第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。

第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。

从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。

二、准解理断裂与塑变的关系

准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：

（1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。

解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）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。

解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。

断口特征：解理断裂断口的轮廓垂直于最大拉应力方向。新鲜的断口都是晶粒状的，有许多强烈反光的小平面（称为解理刻面）。解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。

精心整理

名词解释

延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。

蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。

准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口

沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。

解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。

应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断

疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。

正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）

韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。

冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。

位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。

河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河流。

断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。

氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。

卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。

等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。

第一章

断裂的分类及特点

1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。

脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45o.

2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；

沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。