脆性断裂

构件未经明显的变形而发生的断裂

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。

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