第一章 材料单向静拉伸的力学性能3

第五节断裂一断裂的类型及断口特征

按照晶体材料断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度

按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径脆性断裂韧性断裂

穿晶断裂沿晶（晶界）断裂

按照微观断裂机理剪切断裂解理断裂正断切断依照作用力的性质第五节断裂1脆性断裂与韧性断裂

定义材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且消耗大量塑性变形能。

1.1韧性断裂

断口特征断口用肉眼或放大镜观察时往往呈暗灰色、纤维状。纤维状是塑性变形过程中，众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色则是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。代表物质—些塑性较好的金属材料及高分子材料1脆性断裂与韧性断裂

定义材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显的预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。

1.2脆性断裂

断口特征脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。

代表物质淬火钢；灰铸件；陶瓷、玻璃等脆性材料第五节断裂2穿晶断裂与沿晶断裂

图1-25穿晶断裂与沿晶断裂示意图

第五节断裂2穿晶断裂与沿晶断裂

穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂：而沿晶断裂则多数为脆性断裂。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续的脆性第二相、夹杂物等破坏了材料的连续性造成的，是晶界结合力较弱的一种表现。例如共价键陶瓷晶界较弱，断裂方式主要是晶界断裂。离子健晶体的断裂往往具有以穿晶解理为主的特征。沿晶（晶界）断裂的断口形貌一般呈结晶状。

第五节断裂3剪切断裂与解理断裂

定义剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。

3.1剪切断裂

断口特征纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形，如低碳钢拉伸断口上的剪切唇。大单晶体的纯剪切断口上，用肉眼便可观察到很多直线状的滑移痕迹。对于多晶体，由于晶粒间的相互约束，不可能沿单一滑移面滑动，而是沿着相互交叉的滑移面滑动，从而在宏观断口上呈现出“蛇形滑动”花样。随着变形度的加剧，蛇形滑动花样平滑化，形成“涟波”花样。变形再继续增加，涟波花样进一步平滑化，而在断口上留下无特征的平坦面，称为“延伸区”。第五节断裂剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式。其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。

图1-26韧窝形貌

第五节断裂

微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。微孔的形核大多是通过第二相(夹杂物)碎裂或与基体界面脱离，并在材料塑性变形到一定程度时产生的[图（a）]。随着塑性变形的进一步发展，大量位错进入微孔，使微孔逐渐长大[图（b）]。微孔长大的同时，与相邻微孔间的基体横截面不断减小，这相当于微小拉伸试样的缩颈过程，随着微缩颈的断裂，使微孔连接（聚合）形成微裂纹[图（c）]。随后，因在裂纹尖端附近存在三向拉应力区和集中塑性变形区，在该区又形成新的微孔。新的微孔借助内缩预与裂纹连通，使裂纹向前推进一步，如此不断进行下去直至最终断裂，便形成通常见到的宏观上呈纤维状，微观上为韧窝的断口。图1-27微孔长大聚合示意图第五节断裂第五节断裂

定义在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。

3.2解理断裂

断口特征解理断裂的微观断口应该是极平坦的镜面。但是，实际的解理断口是出许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。解理裂纹的扩展往往是沿着晶面指数相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面进行的。不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶的汇合便形成河流花样。解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征，如图1-28所示。第五节断裂

图1-28河流花样（a）船用钢板（b）LiF晶体第五节断裂

台阶主要由两种方式形成：解理裂纹沿解理面扩展时，与晶内原先存在的螺位错相交，便产生一个高度为一柏氏矢量的台阶，如图1-29所示；图1-29解理裂纹与螺位错相交形成台阶

第五节断裂

两相互平行但处于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，如图1-30所示。图1-30二次解理和撕裂形成台阶（a）次生解理（b）撕裂

同号台阶相遇便会合长大，异号台阶相遇则相互抵消。当汇合台阶足够高时，便形成河流花样。河流花样是判断是否为解理断裂的重要微观依据，“河流”的流向与裂纹的扩展方向一致，根据流向便可确定微观范围内解理裂纹的扩展方同。在实际多晶体中存在有晶界与亚晶界，当解理裂纹穿过小角度晶界时，将引起河流方向的偏移；穿越扭转晶界和大角度晶界时，由于两侧解理面方同各异，以及晶界上的大量位错，裂纹不能直接简单穿越，需要重新形核，再沿着新组成的解理面扩展，于是引起台阶与河流的激增。

图1-31河流花样形成示意图第五节断裂

当解理裂纹高速扩展，温度较低时，在裂纹前端可能形成孪晶，裂纹沿孪晶与基体界面扩展时常会形成“舌”状花样。

解理舌花样形成示意图第五节断裂

3.3准解理断裂

准解理断裂常见于淬火回火钢中，宏观上属脆性断裂。由于回火后碳化物质点的作用，当裂纹往晶内扩展时，难以严格地沿一定晶面扩展。其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称为准解理。准解理与解理的不同之处，准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的反射状河流花样。准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。第五节断裂

4．高分子材料的断裂高分子材枓的断裂从宏观上考虑与金属材料相同，也可分为脆性断裂和韧性断裂两大类。玻璃态聚合物在玻璃转变温度Tg以下主要表现为脆性断裂，聚合物单晶体可发生解理断裂，也属于脆性断裂。而Tg温度以上的玻璃态聚合物以及通常使用的半晶态聚合物断裂时伴随有较大塑性变形，属于韧性断裂。但是由于高分子材料的分子结构特点，其微观断裂机理又与金属和陶瓷材料不同。

第五节断裂

4．高分子材料的断裂

对于无定型的玻璃态高分子聚合物材料，其断裂过程是银纹产生和发展的过程，如图1-32所示。在韧性断裂过程中，当拉伸应力增加到一定值时，银纹会在材料中的一些弱结构或缺陷处产生。随变形的进—步增大，银纹中的空洞随着纤维的断裂可长大形成微孔，微孔的扩大和连接形成裂纹。另外，在银纹中的一些杂质处也可能形成微裂纹，微裂纹沿银纹与基体材料界面扩展，使连接银纹两侧的纤维束断裂造成微观缩颈，微观缩颈的断裂便形成裂纹。裂纹的顶端存在着很高的应力集中，又促使银纹的形成，裂纹的扩展过程就是银纹区的产生、移动的过程。这一道里与金属材料的微孔聚集型断裂机理有一定的相似之处。在较低温度的脆性断裂过程中，银纹生成比较困难，整体试样上很难检查到银纹，但在断口上也有很薄的银纹层，说明无论韧性与脆性断裂，在断裂过程中裂纹顶端总伴随有银纹的形成。第五节断裂图1-32银纹的形成及破坏示意图第五节断裂

半晶态的高分子材料是无定形区与晶体的两相混合物。在Tg温度以上，半晶态高分子材料具有韧性断裂的特征。断裂时已产生塑性变形的无定形区的微纤维束末端将形成空洞。随着塑性变形的继续进行，在空洞或夹杂物旁边的纤维束产生滑移运动，即可形成微裂纹。微裂纹即可通过切断纤维，切断纤维沿横向（与微裂纹共面）生长，也可能通过“拔出”一些纤维，从而与邻近纤维末端空洞相连接的方式生长。依据材料性质，有些材料微裂纹生长以切断纤维为主，如尼龙6、尼龙66等；有些则以拔出纤维与相邻纤维末端空洞连接为主，如聚乙烯等。

第五节断裂

对晶态及半晶态的高分子材料，单晶体的断裂取决于应力与分子链的相对取向。聚合物单晶体是分子链折叠排列的薄层，分子链方向垂直于薄层表面。当晶体受垂直于分子链方向的应力作用时，晶体会发生滑移、孪生和马氏体相变。在高应变条件下，出现解理裂纹，裂纹沿分子链平行的方向扩展，破坏范德瓦尔斯键形成解理断裂。当应力与分子链平行时，裂纹要穿过分子链，切断共价键。由于共价键强度很高，因此晶体在沿分子链方向表现出很高的强度，不易断裂。

第五节断裂5断口分析

材料断裂的实际情况比较复杂，宏观断裂形态不一定与微观断裂口特征完全相符。宏观上表现为韧性断裂的断口上局部区域也可能出现脆性解理的特征，而宏观上表现为脆性断裂的断口上局部区域也可能出现韧窝花样。因此，宏观上的韧、脆断裂不能与微观上的韧、脆断裂机理混为一谈。但是，根据宏、微的断口分析，可以真实了解材料断裂时裂纹萌生及扩展的起因、经历及方式，有助于对断裂的原因、条件及影响因素作出正确判断。第五节断裂

中、低碳钢光滑圆柱试样在室温下的拉伸断裂样品就是典型的韧性断裂范例。掌握其宏、微观断口特征对机件断裂失效分析具有重要的参考价值。此类样品的断裂属于韧性断裂，断口一般呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇3个区域组成，如图1-33所示。此即所谓的断口特征三要素。

图1-33拉伸断口的3个区域示意图第五节断裂

显微裂纹形成后其端部产生更大的塑性变形，新的微孔就在变形带内形核、长大和聚合，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展[图l-34(d)]。这样反复进行的结果就形成纤维区[图1—34(e)]。纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。图1-34杯锥状断口形成示意图

当试样的拉伸力达到力一伸长曲线的最高点时，试样局部区域出现缩颈，同时试样缩颈部分中心的应力状态也由单向变为三向[图l-34(a)]，且中心轴向应力最大，在三向应力作用下，样品中心部分的夹杂物或硬质第二相质点破裂或与基体界面脱离而形成微孔[图1-34(b)]。微孔不断长大集合形成显微裂纹[图l-34(c)]。第五节断裂

纤维区中裂纹扩展速度较慢，并伴随有更大的塑性变形。当裂纹达到某一临界尺寸后，产生更大的应力集中，裂纹以低能量撕裂的方式快速扩展，并形成放射区。放射区有放射状花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端轮廓线，并逆指裂纹源。放射区的断裂过程虽然与纤维区不同，但仍属于韧性撕裂过程，微观上可以看到撕裂韧窝，撕裂时塑性变形量越大，放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的材料，放射线消失，微观断口上呈现解理特征。

第五节断裂

试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈45°，是典型的切断型断裂。其微观特征可看到“链波”花样。韧性断裂的宏观断口一般都具有上述3个区域，而脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。此3个区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及实验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般说来，材料强度提高、塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区明显增大，而纤维区变化不大。实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限，一般脆性断裂前也会产生微量塑性变形。因此，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%者为脆性断裂；大于5%

者为韧性断裂。由此可见金属的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来决定的。第五节断裂二、裂纹形核的位错模型

1．甄纳-斯特罗(Zener-Stroch)理论（位错塞积理论）该理论是甄纳1946年首先提出来的，其模型如图1-35所示。在切应力作用下刃型位错在障碍O处受阻而堆积。斯特罗认为应力集中充分大时，能使堆积附近原子间的结合力破坏而形成解理裂纹。最大应力发生在70.5°处。图1-35位错塞积形成裂纹模型

缺点大量位错塞积将产生很大的切应力集中，使相邻晶粒内的位错源开动将应力松弛，裂纹难以形成。再如单晶中很难设想存在位错塞积的有效障碍，而六方晶体中滑移面和解理面通常为同一平面，不易符合70.5°的要求。

第五节断裂二、裂纹形核的位错模型

2．柯垂尔(Cottrell)理论（位错反应理论）在bcc晶体中，位错之间能够反应形成不动位错。于是在此不动位错后的几个位错塞积便可形成微裂纹。如此反应后的新位错具有较低的弹性能，反应能自动进行，裂纹的形核是一个自发过程。fcc晶体虽有类似反应，但不是降低能量的过程，因而不存在这一形核机理。图1-36位错反应形成裂纹第五节断裂二、裂纹形核的位错模型

3．史密斯(Smith)理论(脆性第二相开裂理论)

史密斯提出了低碳钢中因铁素体塑性变形导致晶界碳化物开裂形成解理裂纹的理论。铁素体中的位错源在切应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂。图1-37裂纹形成的Smith模型

考虑显微组织不均匀造成的影响第五节断裂三、断裂强度1．理论断裂强度材料强度是材料抵抗外力作用时所表现出来的一种性质。决定材料强度的最基本的因素是分子、原子（离子）之间的结合力。在外加正应力的作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。

第五节断裂图1-38完整晶体拉断示意图图1-39原子间作用力与原子位移的关系

理论断裂强度可简单估算如下：设想图l-38中被mn解理面分开的两半晶体，其解理面间距为a0，沿拉应力方向发生相对位移x，当位移很大时，位移和作用力的并不是线形关系。原子间的交互作用最初是随x的增大而增大，达到一峰值σm后逐渐下降，如图1-39所示。就是理论断裂强度。第五节断裂式中：γs单位面积的表面能;a0为原子间距理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度计算公式：第五节断裂三、断裂强度2．断裂强度的裂纹理论（格里菲斯裂纹理论)

为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值与实际值的巨大差异，格里菲斯(AGriffith)在1921年提出，实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，裂纹尖端的应力集中已达到很高值（σm），从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。他根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值，即计算了含裂纹体的强度。能量平衡原理指出，由于裂纹的存在，系统弹性能降低，若要保持系统总能量不变，裂纹释放的弹性能必然要与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如果弹性能的降低足以满足表面能增加的需要，则裂纹的扩展就成为系统能量降低的过程，因而裂纹就会自发扩展引起脆性破坏。

第五节断裂图1-40格里菲斯裂纹模型

格里菲斯公式

对三维介质中钱币形裂纹进行过更精确的计算，也得出类似的结果

格里菲斯裂纹计算公式

第五节断裂

格里菲斯公式已适用于脆性固体，如玻璃、无机晶体材料、超高强钢等，对于许多工程结构材料，如结构钢、高分子材料等，裂纹尖端会产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功。因此，必须对格里菲斯公式进行修正。奥罗万（E.Orowan）首先提出裂纹扩展时，裂纹尖端由于应力集中，局部区域内会发生塑性变形。塑性变形消耗的能量成为裂纹扩展所消耗能量的一部分，因此，表面能除了弹性表面能外，还应包括裂纹尖端发生塑性变形所消耗的塑性功γp

。格里菲斯公式应当修正为第五节断裂