什么是金属材料的脆性断裂，它的核心本质是什么

Question

如题所述

Answer 1

什么是金属材料的脆性断裂，它的核心本质是什么
金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。
1. 断裂的类型
根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
2. 断裂的方式
根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。
3. 断裂的形式
裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
4. 断口分析
断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。
（1）宏观断口分析
断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。
（2）微观断口分析（需要深入研究）
5. 脆性破坏事故分析
脆性断裂有以下特征：
（1）脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。（2）一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。（3）脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。（4）发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
防止脆断的措施：
（1）选用低温冲击韧性好的钢材。（2）尽量避免构件中应力集中。（3）注意使用温度。
6. 韧-脆性转变温度
为了确定材料的脆性转变温度，进行了大量的试验研究工作。如果把一组有缺口的金属材料试样，在整个温度区间中的各个温度下进行冲击试验。
低碳钢典型的韧-脆性转变温度。随着温度的降低，材料的冲击值下降，同时在断裂面上的结晶状断面部分增加，亦即材料的韧性降低，脆性增加。
有几种方法：（1）冲击值降低至正常冲击值的50～60%。（2）冲击值降至某一特定的、所允许的最低冲击值时的温度。
（3）以产生最大与最小冲击值平均时的相应温度。（4）断口中结晶状断面占面积50%时的温度。
对于厚度在40mm以下的船用软钢板，夏比V型缺口冲击能量为25.51J/cm2时的温度作为该材料的脆性转变温度。
7. 无塑性温度
韧-脆性转变温度是针对低碳钢和低碳锰钢，其它钢材，无法进行大量试验。依靠其它试验方法，定出该材料的“无塑性温度”NDT
（1）爆炸鼓胀试验 正方的试样板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上锯一缺口。在试样上方爆炸，根据试样破坏情况判断是否塑性破坏。平裂，凹裂，鼓胀撕
（2）落锤试验
8. 金属材料产生脆性断裂的条件
（1）温度 任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。
（2）缺陷 材料韧性 裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。裂纹长度 裂纹越长，越容易发生脆性断裂。缺陷尖锐程度 越尖锐，越容易发生脆性断裂。
（3）厚度 钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。原因：（1）越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。（2）冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内部产生的偏析较多。
（4）加载速度 低强度钢，速度越快，韧-脆性转变温度降低。