金屬有哪些斷裂類型？

金屬的斷裂類型可以從多個角度進行分類，主要依據是斷裂前的宏觀塑性變形程度、微觀斷裂路徑、斷裂模式以及載荷和環境條件。

一、根據斷裂前宏觀塑性變形程度

1. 韌性斷裂

主要特點：斷裂前發生顯著的塑性變形，如頸縮，拉長。

斷裂過程：在應力作用下，材料內部產生微孔洞——通常源于夾雜物或第二相粒子，微孔洞長大并連接，最終導致斷裂。

斷口特征：宏觀上看，斷口表面比較暗淡，呈纖維狀或鵝毛絨狀，一般有剪切唇。拉伸試樣有明顯的頸縮。

微觀特征：具有典型的韌窩結構，韌窩是微孔洞在斷裂表面留下的凹坑狀形貌。

能量吸收：斷裂需要消耗大量的能量——塑性功。

危害性：相對較低，斷裂前有預警，有明顯變形。

最典型的例子如低碳鋼在室溫下的拉伸斷裂。見圖1。

2. 脆性斷裂

主要特點：斷裂前沒有或僅有極微小的宏觀塑性變形，斷面頸縮不明顯。斷裂發生時幾乎沒有先兆和預警。

斷裂過程：通常是原子鍵在正應力作用下快速、直接地分離，裂紋擴展迅速。

斷口特征：宏觀上看斷口表面平整、光亮，呈結晶狀或顆粒狀，有時可見人字紋或放射狀條紋，指向裂紋源。拉伸試樣斷口無明顯頸縮。

微觀特征：具有解理臺階、河流花樣或冰糖狀形貌（沿晶斷裂）。

能量吸收：斷裂時消耗的能量很少。

危害性：高，破壞具有突發性和災難性。脆性斷口見圖2。

低溫下的體心立方金屬如低溫下的鋼鐵、存在嚴重應力集中或缺陷的材料、某些高強度材料等，容易發生脆性斷裂。

二、根據微觀斷裂路徑

1. 穿晶斷裂

斷裂特點：裂紋穿過晶粒內部擴展。

斷裂類型：可以是韌性的如微孔聚集型穿晶斷裂，形成韌窩，或者脆性的，如解理斷裂。

解理斷裂：一種特定的穿晶脆性斷裂，沿特定的結晶學平面——解理面快速分離，微觀上可見河流花樣、解理臺階等特征。常見于低溫、高應變速率或存在三向拉應力的體心立方和密排六方金屬。

2. 沿晶斷裂

斷裂特點：裂紋沿著晶粒邊界擴展。

產生原因通常由晶界弱化引起，原因包括晶界析出有害相，雜質元素在晶界偏聚，以及環境因素，如應力腐蝕、氫脆、高溫蠕變。

斷口特征：微觀上呈現“冰糖塊"狀或多面體狀形貌。

性質：多為脆性斷裂，但也有韌性沿晶斷裂（較少見）。圖3為韌性沿晶斷口。

三、根據斷裂模式（應力狀態與斷裂面取向）

1. 正斷

斷裂特點：斷裂面垂直于最大主應力方向。

應力狀態：主要由正應力（拉應力）引起。

斷裂性質：通常表現為解理斷裂、沿晶斷裂等脆性斷裂，但也可能是韌性斷裂（拉伸斷口中心纖維區）。

2. 切斷

斷裂特點：斷裂面平行于最大切應力方向，與最大主應力方向呈45°角。

應力狀態：主要由切應力引起。

斷裂性質：通常是韌性斷裂，如拉伸斷口的剪切唇、純剪切斷口。

例如扭轉斷裂通常為切斷。純剪切斷裂示意圖見圖4。

四、根據載荷性質和環境因素

1. 疲勞斷裂

斷裂特點：在應力幅低于靜載屈服強度的交變應力長期作用下發生的斷裂。

斷裂過程：裂紋在應力集中處萌生，并在交變應力下穩定擴展，最終發生失穩斷裂。

斷口特征：宏觀可見疲勞貝紋線；微觀可見疲勞擴展輝紋。

斷裂性質：即使是韌性材料，疲勞斷裂宏觀上也常表現為無明顯塑性變形的“脆性"斷裂。疲勞斷口見圖5。

2. 應力腐蝕斷裂

斷裂特點：在拉應力和特定腐蝕介質聯合作用下發生的脆性斷裂。

斷裂過程：腐蝕環境促進裂紋萌生和擴展，拉應力加速腐蝕過程。

斷口特征：宏觀脆性，斷面上常可見腐蝕產物。

3. 氫脆斷裂

斷裂特點：由于氫原子進入金屬內部，降低其塑性和韌性，在應力作用下發生的延遲脆性斷裂。

斷裂過程：氫原子在應力梯度驅動下富集于缺陷處，如夾雜物部位，偏析帶等，降低原子鍵合力或促進局部塑性變形，導致開裂。

斷口特征：宏觀脆性，微觀多為沿晶（如高強度鋼）或穿晶解理（如鈦合金）。斷口上可能有“雞爪紋"等特征。

斷裂類型：氫環境脆化、內部氫脆、氫反應脆化等。

4. 蠕變斷裂

斷裂特點：金屬在高溫下承受恒定載荷或恒定應力時，隨時間推移發生緩慢而持續的塑性變形（蠕變），最終導致斷裂。

斷裂過程：高溫下晶界強度下降，晶界滑動、遷移，形成孔洞并連接成裂紋。

斷口特征：宏觀上可能有頸縮，但塑性變形量通常不如室溫韌性斷裂大。微觀主要為沿晶斷裂，斷口上有蠕變孔洞。

5. 過載斷裂

斷裂特點：由單一或少數幾次超過材料承載極限的載荷（靜載或沖擊）引起的斷裂。

斷裂類型：可以是韌性斷裂，如室溫下塑性材料的拉伸過載，也可以是脆性斷裂，如低溫或沖擊載荷下。

五、結論

金屬斷裂的主要分類依據是宏觀塑性變形程度，從而區分是韌性還是脆性，以及微觀斷裂路徑，是穿晶還是沿晶。

韌性斷裂伴隨顯著塑性變形，微觀為韌窩；脆性斷裂無顯著塑性變形，微觀為解理或沿晶。

穿晶斷裂穿越晶粒；沿晶斷裂沿晶界擴展。

其他重要類型包括疲勞斷裂，主要受交變應力；應力腐蝕斷裂受，主要是拉應力+腐蝕介質雙重作用；氫脆斷裂，受氫+應力共同作用；蠕變斷裂，主要是高溫+恒載作用。

實際工程構件的斷裂往往是多種機制共同作用的結果，例如，疲勞斷裂最終失穩區可能是韌窩，且有明顯塑性變形，而擴展區是疲勞條帶，呈脆性斷裂特征。

理解金屬的斷裂類型對于材料選擇、結構設計、失效分析和預防災難性事故至關重要。