脆性断裂是指构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲,更无缩颈,容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。脆断的构件常形成碎片。材料的脆性是引起构件脆断的重要原因。因构件中存在严重缺陷(如裂纹)发生低应力脆断时也具有脆性断裂的宏观特征,但此时材料不一定很脆。因材料脆性而发生的脆断断口“呈结晶状”,有金属光泽,断口与主应力垂直,也即与构件表面垂直,断口平齐。
简介
脆性断裂一般发生在高强度或低延展性、低韧性的金属和合金上。另一方面,即使金属有较好的延展性,在下列情况下,也会发生脆性断裂,如低温,厚截面,高应变率(如冲击),或是有缺陷。脆性断裂引起材料失效一般是因为冲击,而非过载。
经长期研究,人们认识到,过去我们把材料看做毫无缺陷的连续均匀介质是不对的。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹,而且在无损探伤检验时又没有被发现。那么,在使用过程中,由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因,裂纹会进一步扩展。当裂纹尺寸达到临界尺寸时,就会发生低应力脆断的事故。
脆性断口宏观特点为:断口平齐而光亮,且与正应力垂直;脆性断裂微观特点为:断口呈人字或放射花样;
脆性断裂机理
虽然由于裂纹的存在,材料在力学特性上呈现出非线性特征,但是
脆性材料本身是弹性连续的,其裂尖的开裂过程可看做是连续的。因此在小范围屈服的条件下,裂尖的破坏和断裂过程仍可用线弹性力学理论加以解释和描述。
设A和B分别为裂纹尖端处裂尖径向方向上相邻的两个材料微单元体,其公共界面为节点3和节点4之间的连线。在荷载作用下裂尖应力场在微元A和B上的最大应力分别为与,当荷载增加使得这两个应力先后达到破坏应力时,单个微元产生破坏并沿破坏面断裂;微元A和B的潜在破坏面分别用A′和B′表示,两者分别穿过各自微元中心和。
在某一组远场力系作用下,若微元A的潜在破坏面和微元B的潜在破坏面共面(三维情况)或共线(二维情况),则微元A与微元B的破坏过程能够传递和继续传播,从而形成一个连续的破坏断裂面而使裂纹发生开裂与扩展。
在另外一组远场力系作用下,若在微元A与微元B中形成潜在破坏面和,且相互平行,与两个微元中心连线之间的夹角为T,两个潜在破坏面在两个微元共边或共面上的交点和不重合。由于材料的线弹性连续性,微元A和B仅有弹性变形而没有塑性变形,节点3和4不可能发生裂开,也不会产生相对位移。所以微元受力作用产生变形后,点和不会重合在一起,因此破坏面和无法形成共线(二维情况)或共面(三维情况)状态。于是在这种情况下微元A和微元B的破坏过程不能传递下去,因此不能形成连续破坏面,无法产生宏观裂纹扩展。
由此可见,在脆性断裂时,裂纹开裂扩展方向并不是由材料的最大主应力、最大剪应力或最大屈服点所决定,而应考虑脆性断裂微过程传播的上述一致连续性特点。
脆性断裂的种类
(1)单晶体:解理断裂,裂纹沿解理面扩展;
(2)多晶体:沿晶断裂,裂纹走向沿着晶面,而并不在某一平面内运动;
(3)穿晶 ( 晶内 ) 断裂,裂纹沿着多晶粒的解理穿过,而不管晶界的位置如何。
脆性断裂事例
20世纪50年代,美国发射北极星导弹,其固体燃料发动机壳体,采用了超高强度钢制造,屈服强度为1400MPa,按照传统强度设计与验收时,其各项性能指标都符合要求,设计时的工作应力远低于材料的屈服强度,但点火不久,就发生了爆炸。
为什么材料会发生低应力脆断?
原因:传统力学把材料看成是均匀的,没有缺陷的,没有裂纹的连续的理想固体,但是,实际工程材料在制备、加工(冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等)及使用中(疲劳、冲击、环境温度等)都会产生各种缺陷(白点、气孔、 渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等)。
缺陷和裂纹会产生应力集中,所受拉应力为平均应力的数倍。过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时,将会产生裂纹或缺陷的扩展,导致脆性断裂。