结构件的断裂现象和分析（30）

有各种断裂的现象，它们也对应着不同的原因，所以需要进行断口的宏观、微观的观察和分析，然后对症下药，在设计和工艺中避免断裂失效。断裂的归属典型宏观、微观图是必须的，只是博客中贴图不便，读者可以用关键词自行搜索。

30.1 脆性断裂（brittle fracture）

　　脆性断裂的断裂面通常与拉应力垂直，与剪切力平行，对金属而言，断面有光泽的亮面，没有滑移。脆性断裂一般包括微观上沿晶体结合面的脆性断裂、宏观上延纹理的断裂、疲劳老化断裂、腐蚀疲劳断裂、氢脆断裂等。脆性与硬度有密切关系, 硬度高的材料通常脆性亦大。宏观上延纹理的断裂发生在金属薄板、铸造铝合金、锌合金、HIPS塑料；疲劳老化断裂常发生在ABS塑料、铝合金、镁合金。氢脆断裂常发生在电镀不合理和热处理不合理的金属零件上。

30.2 塑性断裂(ductile fracture)

　　与脆性断裂不同，塑性断裂是材料断裂前产生明显塑性变形或者收缩而后断裂方式，断面有明显滑移。PP、PC、PA等塑料、纯铝等材料会有塑性断裂，薄钢板、铝合金、钛合金也会发生塑性断裂。

30.3 疲劳断裂（fatigue fracture）
　　疲劳断裂指材料在循环载荷作用下产生疲劳裂纹萌生和扩展而导致的断裂，其断口在宏观上由疲劳源、扩展区和最后破断区三个区域构成，在微观上可出现疲劳条纹。几乎所有材料都会发生疲劳断裂，特别是在长期的交变负荷、交变温湿度的条件下。疲劳断裂有塑性断裂，也有脆性断裂。

30.4 其它断裂

    脆性断裂、塑性断裂和疲劳断裂都是宏观上（即目测）可以看到的断裂。通过SEM，微观上还可以看到一些细分的断裂状态。

1. 穿晶断裂(transgranular fracture)

    穿晶断裂又称晶内断裂，裂纹穿过晶粒内部； 沿晶断裂(intergranular fracture)又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向晶粒间晶界分离的现象。穿晶断裂在宏观上多为塑性断裂，也有少数是脆性断裂。

2. 解理断裂（cleavage fracture）

   解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键破坏而造成的沿一定的晶体学平面（即解理面）快速分离的过程，是一种脆性断裂。　　　　　　
3. 准解理断裂(quasicleavage)
　　准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间一种过渡断裂形式，准解理的形成过程是首先在许多不同部位同时产生许多解理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂岭。

30.5 断口的宏观和微观特征

1. 纤维区，放射区，剪切唇(radiation region,fibrous region,shear lip)

   金属断裂的宏观断口通常可分为三个宏观特征区，即中间的纤维区，然后是放射区和剪切唇区，这就是所谓的断口宏观特征三要素。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴垂直，呈粗糙的纤维状，断裂从这一区开始。放射区是裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志，其特征是放射线花样，放射线方向为裂纹扩展方向。剪切唇区是最后断裂区，表面较光滑，与拉伸应力轴的交角约45°。对于不同的材料，不同的温度和受力状态，三个区域的位置、形状、大小及分布有所不同，有时在断口上也可能只出现一种或二种形貌特征。脆性断裂的断裂面没有纤维区。 
2. 韧窝断口(dimple fracture)

　　韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征。它是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集最后相互连接而导致断裂后，在断口表面上所留下的痕迹。韧窝的大小包括平均直径和深度。影响韧窝大小的主要因素从材料方面讲为第二相的大小、密度、基体的塑性变形能力、形变硬化指数等，从外界条件讲与应力大小和加载速率有关。一般在断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，表示材料的塑性越好。