课堂：金属材料失效分析之断裂失效

Question

如题所述

Answer 1

在课堂上，金属材料的失效分析尤其引人关注，其中断裂失效是最常见的现象之一。金属材料的失效机制多种多样，包括断裂、腐蚀、磨损和变形，而断裂又分为韧性与脆性两种截然不同的表现形式。

韧性断裂，即材料在明显塑性变形后发生断裂，区分正断型（平面断裂）和切断型（斜断裂）。断口分析是判断的关键，观察光放射区和平滑丝光的亮灰色剪切唇区，其中纤维区内部裂纹扩展形成放射状纹理，剪切唇区则位于表面附近，呈现出45°角。断口的三个基本特征——纤维区F、放射区R和剪切唇区S，揭示了材料内部的精细结构。

脆性断裂则是在应力低于强度极限时发生，没有明显塑性变形，常见于体心立方和密排六方金属，沿着低指数晶面进行解理。宏观上，脆性断裂的特征包括：无塑性变形，断口垂直于最大正应力，平直无颈缩，断裂面平齐且无剪切唇。微观形貌上，呈现出河流花样、扇形等特征，裂纹扩展方向通过条纹指示。

影响脆性断裂的因素繁多，包括不均匀的三向应力、低温环境、尺寸效应、焊接质量、工作介质和材料组织。为了预防，设计时应确保材料高于脆性转变温度，选择具有高断裂韧性的材料，同时注意结构设计以减少应力集中和优化焊接工艺。

而疲劳断裂，特别是脆性疲劳，是在交变载荷下经过长期循环后发生的。典型特征是应力小于抗拉强度，断裂点常位于最大拉应力处，经历萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳裂纹从表面应力集中区域开始，扩展区形成沙滩花样，断裂区则显示出明显的脆性特征。

疲劳断裂的微观形貌中，疲劳辉纹的间距和类型与载荷条件紧密相关，且疲劳断口由一系列小断片组成，辉纹数量直接对应于载荷循环次数。影响疲劳断裂的因素还涉及表面状况、缺陷、应力集中、材料成分、工作温度和腐蚀环境。

总的来说，金属材料的断裂失效分析是一个复杂而细致的过程，涉及到材料性能、应力状态、环境因素等多个层面的综合考虑。通过深入理解这些特性，我们能更有效地预防和控制金属材料的失效，确保其在各种应用中的可靠性和耐用性。