脆性斷裂

脆性斷裂是指構件未經明顯的變形而發生的斷裂。斷裂時材料幾乎沒有發生過塑性變形。如桿件脆斷時沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，容器破裂時沒有直徑的增大及壁厚的減薄。脆斷的構件常形成碎片。材料的脆性是引起構件脆斷的重要原因。因構件中存在嚴重缺陷（如裂紋）發生低應力脆斷時也具有脆性斷裂的巨觀特徵，但此時材料不一定很脆。因材料脆性而發生的脆斷斷口“呈結晶狀”，有金屬光澤，斷口與主應力垂直，也即與構件表面垂直，斷口平齊。

基本介紹

• 中文名：脆性斷裂
• 外文名：brittle rupture
• 別稱：脆斷
• 領域：材料力學
• 釋義：構件未經明顯的變形發生的斷裂
• 脆性斷口特點： 斷口平齊而光亮與正應力垂直

簡介

脆性斷裂一般發生在高強度或低延展性、低韌性的金屬和合金上。另一方面，即使金屬有較好的延展性，在下列情況下，也會發生脆性斷裂，如低溫，厚截面，高應變率（如衝擊），或是有缺陷。脆性斷裂引起材料失效一般是因為衝擊，而非過載。

經長期研究，人們認識到，過去我們把材料看做毫無缺陷的連續均勻介質是不對的。材料內部在冶煉、軋制、熱處理等各種製造過程中不可避免地產生某種微裂紋，而且在無損探傷檢驗時又沒有被發現。那么，在使用過程中，由於應力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會進一步擴展。當裂紋尺寸達到臨界尺寸時，就會發生低應力脆斷的事故。

脆性斷口巨觀特點為：斷口平齊而光亮，且與正應力垂直；脆性斷裂微觀特點為：斷口呈人字或放射花樣；

脆性斷裂機理

雖然由於裂紋的存在，材料在力學特性上呈現出非線性特徵，但是脆性材料本身是彈性連續的，其裂尖的開裂過程可看做是連續的。因此在小範圍屈服的條件下，裂尖的破壞和斷裂過程仍可用線彈性力學理論加以解釋和描述。

如圖1所示，設A和B分別為裂紋尖端處裂尖徑向方向上相鄰的兩個材料微單元體，其公共界面為節點3和節點4之間的連線。在荷載作用下裂尖應力場在微元A和B上的最大應力分別為與，當荷載增加使得這兩個應力先後達到破壞應力時，單個微元產生破壞並沿破壞面斷裂；微元A和B的潛在破壞面分別用A′和B′表示，兩者分別穿過各自微元中心和。

在某一組遠場力系作用下，若微元A的潛在破壞面和微元B的潛在破壞面共面(三維情況)或共線(二維情況)，則微元A與微元B的破壞過程能夠傳遞和繼續傳播，從而形成一個連續的破壞斷裂面而使裂紋發生開裂與擴展。

在另外一組遠場力系作用下，若在微元A與微元B中形成潛在破壞面和，且相互平行，與兩個微元中心連線之間的夾角為T，兩個潛在破壞面在兩個微元共邊或共面上的交點和不重合。由於材料的線彈性連續性，微元A和B僅有彈性變形而沒有塑性變形，節點3和4不可能發生裂開，也不會產生相對位移。所以微元受力作用產生變形後，點和不會重合在一起，因此破壞面和無法形成共線(二維情況)或共面(三維情況)狀態。於是在這種情況下微元A和微元B的破壞過程不能傳遞下去，因此不能形成連續破壞面，無法產生巨觀裂紋擴展。

由此可見，在脆性斷裂時，裂紋開裂擴展方向並不是由材料的最大主應力、最大剪應力或最大屈服點所決定，而應考慮脆性斷裂微過程傳播的上述一致連續性特點。

脆性斷裂的種類

（1）單晶體：解理斷裂，裂紋沿解理面擴展；

（2）多晶體：沿晶斷裂，裂紋走向沿著晶面，而並不在某一平面內運動；

（3）穿晶 ( 晶內 ) 斷裂，裂紋沿著多晶粒的解理穿過，而不管晶界的位置如何。

脆性斷裂事例

20世紀50年代，美國發射北極星飛彈，其固體燃料發動機殼體，採用了超高強度鋼製造，屈服強度為1400MPa，按照傳統強度設計與驗收時，其各項性能指標都符合要求，設計時的工作應力遠低於材料的屈服強度，但點火不久，就發生了爆炸。

為什麼材料會發生低應力脆斷？

原因：傳統力學把材料看成是均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的連續的理想固體，但是，實際工程材料在製備、加工（冶煉、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、冷加工等）及使用中（疲勞、衝擊、環境溫度等）都會產生各種缺陷（白點、氣孔、 渣、未焊透、熱裂、冷裂、缺口等）。
缺陷和裂紋會產生應力集中，所受拉應力為平均應力的數倍。過分集中的拉應力如果超過材料的臨界拉應力值時，將會產生裂紋或缺陷的擴展，導致脆性斷裂。