对断裂进行分类是比较复杂的。对断裂的研究虽然很多,但到目前为止,国内外对其分类的看法仍很不统一。下面介绍几种常用的断裂分类方法,这些分类是相辅相成的。
4.3.1.1 按断裂性质分类
根据材料或构件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小,可将断口类型分为延性断口、脆性断口及延性—脆性混合断口三种。
1.延性断裂 延性断裂指材料或构件断裂时发生较大的塑性变形而形成的断裂。
延性断裂的断口通常又可分为两种类型:
(1)纤维状断口。断口表面具有凹凸不平的形貌特征,呈现暗灰色的纤维状,立体感较强;它是在平面应变条件下发生的,断口表面与最大拉应力方向垂直。例如,光滑圆棒试样拉伸时所形成的杯锥状断口,其杯底与锥顶的中心区均属于纤维状断口。图4-24所示为杯锥状断口的示意图,图中起伏部分为纤维状断口。
图4-24 杯锥状断口示意图
a)杯状断口 b)锥状断口
(2)剪切断口。断口表面较光滑或呈现鹅毛状,与最大拉应力方向成45°,它是在平面应力条件下产生的。如图4-24中所示断口周围部分均为典型的剪切断口,有时也称之为剪切唇。
2.脆性断裂 脆性断裂指材料断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形。脆性断口形貌较平整,用肉眼或放大镜观察不到宏观变形量,但是在电子显微镜下可观察到局部的塑性变形。通常金属材料的塑性变形量为2%~5%(体积分数)的断裂均称为脆性断裂。
脆性断裂是一种突然发生、没有明显征兆的断裂,因而危害性很大。
脆性断裂的特点是:
(1)脆性断裂时承受的工作应力很低,往往低于材料的屈服强度。
(2)温度降低,脆性断裂倾向增加。对一般材料而言,如中、低强度钢,若在-80℃时断裂,其断口具有明显的脆性断裂特征。当温度降低到-160℃时,表征塑性断裂的纤维状断口及剪切唇均消失,断口呈放射状条纹。
(3)脆性断口具放射状或人字条纹等形貌特征。
(4)断口表面粗糙程度随载荷增加而增加。当然与材质也有关系,例如铸钢或铸铁断口较粗糙。
(5)高强钢或超高强钢的脆性断口较光滑,断口形貌特征不大明显等。
脆性断裂包括穿晶脆性断裂(如解理断裂)、疲劳断裂和沿晶脆性断裂等。
3.延性—脆性断裂 延性—脆性断裂又称为准脆性断裂。它实际上是一种延性与脆性的混合断裂。通常情况下,是以延性断裂为起始,继之以脆性断裂为主的裂纹扩展方式。如金属材料的光滑圆棒形拉伸试样的缩颈,其变形量为断口的5%~10%(体积分数),基本属于这种类型。在电子显微镜下,可观察到具有解理断裂与韧窝断裂两种机制控制下所形成的断口形貌特征。
4.3.1.2 按断裂路径分类
一般在金属及合金中的断裂路径可分为穿晶断裂、沿晶断裂及混合断裂(图4-25)三种类型,其断口亦存在着相应的三种类型。
1.穿晶断裂(图4-25a)穿晶断裂指金属及合金的裂纹萌生和扩展均在晶粒内部发生,其断口为穿晶型。从结晶学角度出发,又可将穿晶断裂分为结晶学断裂与非结晶学断裂两种。(www.xing528.com)
结晶学断裂是指沿一定的结晶学平面发生的断裂。其断口形貌特征与结晶学有着特定的位向关系,如解理断裂、穿晶应力腐蚀断裂等。
非结晶学断裂是指断裂时发生较大的塑性变形,此时在材料内部将形成显微孔洞与孔洞的聚集并导致分离,断裂表面为非结晶学断口,如韧窝断口。在电子显微镜下观察,这种断口具有明显的韧窝形貌特征。
2.沿晶断裂(图4-25b)沿晶断裂指多晶体材料的裂纹萌生与扩展在晶界上发生的分离过程,其断口称为沿晶断口。沿晶断裂的一个明显的原因是晶界上存在着特殊的第二相。例如不锈钢中的晶界碳化物Cr23C6会导致沿晶断裂损坏。沿晶断裂也会在晶界上并无第二相存在时发生。例如合金钢中沿原奥氏体晶界发生断裂的回火脆性现象。
沿晶断裂又可分为沿晶脆性断裂与沿晶韧性断裂,其断口亦存在着相应两种类型。
沿晶脆性断裂是由于晶界脆化引起的分离过程,如沿晶氢脆断裂等。沿晶韧性断裂是由于在晶界上发生显微孔洞的形成和聚集而导致的断裂。其断口在电镜下可观察到比较浅且小的韧窝花样,如蠕变断裂等。
3.混合断裂(图4-25c)在多晶体金属材料的断裂过程中,很少只发生一种由穿晶断裂机制或沿晶断裂机制所控制的断裂过程,多数情况下是由混合断裂机制所控制的断裂,其断裂路径既有穿晶断裂,又有沿晶断裂。例如回火马氏体材料的瞬时断裂就属于这种类型。穿晶断裂将有50%的面积沿原奥氏体晶界和50%的面积沿解理面发生混合断裂;沿晶断裂将有较多的面积是沿原奥氏体晶界断裂与一定数量的准解理断裂。
图4-25 按断裂路径分类
a)穿晶断裂 b)沿晶断裂 c)混合断裂
4.3.1.3 按断裂方式分类
按断裂面所受外力类型不同,可分为正断断裂、切断断裂及混合断裂三种类型。
1.正断断裂 由正应力引起的断裂称为正断断裂。断口表面垂直于最大正应力方向。断口的宏观形貌较平整,在电子图像上可能出现韧窝花样、河流花样等形貌特征。例如等轴韧窝花样的断裂方式便是典型的正断断裂。
2.切断断裂 由切应力引起的断裂称为切断断裂。断裂面与最大正应力方向成45°角。断口的宏观形貌较平滑,显微形貌为抛物线状的韧窝花样。
3.混合断裂 由正断断裂与切断断裂混合而成的断裂称为混合断裂,如杯锥状断口是混合断裂的典型例证。混合断裂是最常见的。
4.3.1.4 按断裂机理分类
金属材料按断裂机理分类可分为解理断裂、准解理断裂、滑移分离、疲劳断裂、环境介质断裂、蠕变断裂及沿晶断裂等。
4.3.1.5 按其他形式分类
1.按应力状态分类 可将断裂分为静载断裂(如拉伸断裂、剪切断裂、扭转断裂)和动静断裂(如冲击断裂、疲劳断裂)等。
2.按断裂环境分类 可分为低温断裂、室温断裂、高温断裂、应力腐蚀开裂及氢脆断裂等。
3.按断裂时所需要的能量分类 可分为高能断裂、中能断裂与低能断裂三种类型。它与按结晶学关系分类基本上是相呼应的。低能断裂相当于结晶学断裂,高能断裂相当于非结晶学断裂,中能断裂相当于结晶学与非结晶学混合断裂。
4.按裂纹扩展速度分类 可分为快速断裂、缓慢断裂及延迟断裂类型。例如,拉伸断裂、冲击断裂等为快速断裂;疲劳断裂为缓慢断裂。
上述断裂现象均对应着一定的断口特征,断口分类与断裂分类基本上是对应的。
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