断裂-以机制分类
岩石断裂分析
岩石断裂分析引言：岩石是地壳的组成部分，其断裂特征对于地质学及工程学具有重要意义。
岩石断裂分析可以揭示岩石受力、岩层移位和内部结构等信息，有助于科学家和工程师进行地质和工程设计。
本文将探讨岩石断裂的类型、形成机制以及岩石断裂分析的方法和应用。
一、岩石断裂类型：岩石断裂可以分为几种不同类型，包括：剪切断裂、拉拔断裂、折断裂和溃裂等。
1. 剪切断裂剪切断裂是岩石中最常见的一种类型。
它是指岩石在受到剪切应力作用下发生的断裂。
剪切断裂可以进一步细分为水平剪切断裂、倾斜剪切断裂和复合剪切断裂等。
这些断裂会使岩石产生错动和滑动。
2. 拉拔断裂拉拔断裂是指岩石在受到拉伸应力作用下发生的断裂。
拉拔断裂发生在板块运动或构造运动中，通常以断层的形式出现。
拉拔断裂常伴随着断层和褶皱的形成。
3. 折断裂折断裂是指岩石断裂时同时发生的压应力和剪应力导致的破碎现象。
这些断裂通常会在岩层中形成断层构造，如逆断层、正断层和走滑断层等。
4. 溃裂溃裂是指岩石在承受较大应力时发生的大面积断裂。
溃裂通常发生在地下工程中，如水坝、地下隧道和岩石挡墙等。
溃裂会引发岩层的塌陷和滑动。
二、岩石断裂形成机制：岩石断裂形成的机制涉及多个因素，主要包括：地壳构造运动、地震、岩石强度、断裂面性质以及周围岩石的应力情况等。
1. 地壳构造运动地壳构造运动是岩石断裂形成的主要驱动因素之一。
板块运动和构造运动会在地壳中造成应力集中，引发地震、断层和岩石溃裂等断裂现象。
2. 地震地震是岩石断裂的重要原因之一。
地震发生时，地壳中的岩石受到剧烈振动和扰动，导致断裂面发生破坏和滑动。
地震断裂的研究对于地震灾害的防治具有重要意义。
3. 岩石强度岩石的强度是岩石断裂形成机制的重要因素之一。
强度低的岩石容易发生断裂，而强度高的岩石则相对稳定。
岩石强度受到岩石类型、物理性质和应力环境等因素的影响。
4. 断裂面性质断裂面的性质对岩石断裂有重要影响。
断裂面的粗糙程度和形态会影响岩石的抗剪强度和滑动性质。
断口形貌特征
二）宏观断口特征
1）断口三要素 纤维状区、放射状区、剪切唇。
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。
根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂 材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。 韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
主要光学仪器为金相显微镜和立体显微镜。
2）电子显微镜断口分析技术
1.透射电镜技术
通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电 镜可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。 2.扫描电镜技术 扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断 口称解理断口。
解理断裂断口的突出宏观特征是具有小刻面和放射状条纹。
解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。 解理断口的另一特征是具有人字状条纹或放射状条纹。容易判断裂源和扩展方向。
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
（二）断口形貌特征
（二）断裂机制和断口形貌特征 一）断裂分类
1）按断裂性质分类
塑性断裂
纤维状断口 （与正应力方向垂直） 剪切断口 （ 45 、剪切唇）
材料力学中的断裂与韧性
材料力学中的断裂与韧性材料力学作为一门关于物质内部结构和力学行为的科学，对于材料的性能与可靠性有着重要的影响。
其中，断裂与韧性是材料力学中一个十分关键的概念。
断裂指的是材料在外界施加力的作用下出现破裂的现象，而韧性则是指材料的抵抗断裂破坏的能力。
本文将从材料的断裂机制、断裂韧性的影响因素以及提高材料韧性的方法等方面加以论述。
一、材料的断裂机制材料断裂机制是指材料在承受外力作用下，因内部结构破坏而发生断裂的过程。
一般来说，材料的断裂机制可以分为韧性断裂和脆性断裂两种情况。
韧性断裂多见于金属等延展性材料，其断裂过程具有典型的韧性特征。
在外力的作用下，材料会先发生塑性变形，从而使得应力集中区域得到缓和。
随着外力的不断增加，应力集中区域逐渐扩大，并伴随着微裂纹的形成和扩展。
当微裂纹沿着材料内部继续扩展，最终导致材料的完全破裂。
需要注意的是，韧性断裂一般伴随着较大的能量吸收过程，因此对于抗震等要求韧性的工程结构，选择具有良好韧性的材料是十分重要的。
脆性断裂则多见于陶瓷、混凝土等脆性材料。
该类材料的断裂过程没有明显的塑性变形区域，而是在外力作用下直接发生破裂。
通常来说，脆性断裂的特点是断裂韧性较低，能量吸收较小。
二、影响材料韧性的因素材料的韧性不仅与材料本身的性质有关，同时也受到外界条件和应力状态的影响。
以下是一些影响材料韧性的常见因素：1.结构层次：材料的内部结构和组织对其韧性有着很大的影响。
晶粒的尺寸、形状以及晶界的性质等都会对材料的韧性产生影响。
一般来说，晶粒尺寸越小、晶界越多越强，材料的韧性也会相对提高。
2.材料纯度：杂质和夹杂物是影响材料韧性的重要因素。
杂质和夹杂物会引起应力集中，从而导致微裂纹的形成和扩展。
因此，材料的纯度对韧性有着直接的影响。
3.应力状态：不同的应力状态对材料的韧性有着直接影响。
例如，拉伸和压缩状态下的材料韧性表现可能不同。
此外，不同应力速率下材料的断裂行为也可能有所不同。
三、提高材料韧性的方法提高材料的韧性是工程实践中的一项重要任务。
断裂失效的分类
断裂失效的分类
断裂失效的分类主要包括：
1. 疲劳断裂：由交变载荷引起的断裂。
2. 应力腐蚀断裂：在拉应力及腐蚀介质的共同作用下发生的断裂。
3. 蠕变断裂：在长期恒温、恒应力的作用下，材料塑性流动导致的断裂。
4. 应力松弛破坏：螺栓、紧固件等连接部位的物体，由于应力松驰造成的断裂。
5. 磨蚀断裂：磨蚀和断裂同时作用造成的断裂。
6. 氢脆断裂：由于氢进入材料内部，造成晶体缺陷，使强度降低从而导致断裂。
7. 温度梯度断裂：温度突变引起的外力过大造成的断裂。
以上是断裂失效的一些主要分类，每一种都由不同的原因导致，需要具体分析。
第五章 材料的断裂
NSR>1，对切口不敏感，切口韧性材料 NSR<1，对切口敏感，是切口脆性材料
33
切口强度
*应力集中与局部应力
*应变集中与局部应变
Hollomon方程
σ
=
Kε
n p
34
切口强度
切口强度实验测定
试件
实验设备 万能试验机（拉伸）
切口强度
σ bN
= 4Pmax
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
σm
=
Eγ
a0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
/
πd
2 n
*切口强度估算 切口强度只能பைடு நூலகம்性判定材料的切口敏感度
35
冲击韧性
冲击载荷的特点
作用时间短 冲击力F是一个变力
冲击韧性实验
试件
夏氏切口 梅氏切口
用能量变化来衡量
36
冲击韧性
冲击韧性实验
实验原理
实验设备 实验结果——冲击吸收功
Ak = GH1 − GH2 = Ai + Ap + Af + ∆E
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验 三点弯曲单边裂纹试验 四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
断裂分类
断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。
通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。
可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。
多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。
沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。
有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。
按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。
解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。
解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。
对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。
断口形貌特征
A
2
二）宏观断口特征 1）断口三要素 纤维状区、放射状区、剪切唇。
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。
根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
A
3
A
4
2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1
凹处暗，凸处亮。 A
Hale Waihona Puke 122.扫描电镜技术扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
A
11
（金）200:1
A
6
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈
45o
角。
A
7
4.疲劳断裂 疲劳断口一般可划分三个不同区域：平滑区和“年轮”条纹区和瞬断区。
A
8
5.蠕变断裂 蠕变断口的宏观形貌呈“冰糖”状特征。
A
9
三）显微断口分析技术
1）光学显微镜断口分析技术 用光学显微镜对断口进行观察和分析。其固有缺点为放大倍率低（×100--
韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
A
5
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断
断裂分类(韧窝)
断裂分类(韧窝)
2 微孔聚合断裂机制
2.1相关概念
定义：微孔聚合型断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、孪晶带、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。
微孔萌生的时间：若材料中第二相与基体结合强度低，在颈缩之前；反之，在颈缩之后。
微孔萌生成为控制马氏体时效钢断裂过程的主要环节
微孔聚合型断裂形成的韧窝有三种：
1）拉伸型等轴状韧窝；
2）剪切型伸长韧窝；
3）拉伸撕裂型伸长韧窝。
正应力作用下，韧窝是等轴型的，而在剪切应力和弯曲应力的作用下，韧窝
沿一定的方向伸长变形形成剪切韧窝和撕开韧窝。
韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，如第二相较少、分布均匀且基体塑性变形能力又强，那么韧窝大而深；若基体的加工硬化能力很强，韧窝大而浅。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
措施
1、提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶分布，如钢中的P、S、As、Sb、Sn； 2、严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化； 3、减少晶界与环境因素间的交互作用； 4、降低金属表面的残余拉应力，以防止局部三向拉应力状态的产生；
疲劳
纤维区、剪切唇 韧窝 韧窝花样（断面上覆盖着大量微坑）包含等轴韧窝、抛物 线韧窝、卵形韧窝
影响因素
1、夹杂物或第二相粒子：尺寸较小，且分布密集 → 促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样；尺寸较大，且分布 变化不大→促进裂纹扩展，形成较大的韧窝花样 2、基体材料的韧性：韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅 3、试验温度：T↑、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加 4、应力状态：拉应力（等轴）、切应力（拉长韧窝）、撕裂应力（撕裂韧窝）
措施
为了防止此类断裂最有效的办法就是提高钢材的抗低温脆断能力，即千方百计地降低钢材的脆性转折 温度（如细化晶粒，减少组织缺陷等），在这方面与预防解理断裂的措施是基本相同的
1、冰糖块状（晶粒粗大） 2、灰色的石状 沿晶 1、多边形图象（晶粒外形轮廓） 2、冰糖状形貌
产生原因
1、脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物、Al-Li合金中的δ（AlLi）相； 2、晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析、合金钢中的高温回火脆性； 3、环境：SCC、氢脆、蠕变； 4、热应力：焊接材料的HAZ； 5、晶粒粗大；
措施
（1）、消除或减小构件上的裂纹尺寸。 （2）、细化晶粒。 （3）、消除或减少金属中的有害杂质。 （4）、采用双钢代替单一的马氏体组织材料。
裂
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
准解 理
断口差异
1、准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹 源在解理面边界（晶界）形成； 2、准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局 部地方形成并局部扩展； 3、准解理包含更多的撕裂；
产生原因
准解理断裂是淬火加低温回火的高强度钢较为常见的一种断裂形式，常发生在脆性转折温度附近。准解理断裂的断口是有平坦 的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。 1、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂； 2、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同； 3、构件的薄弱环节处处于平面应变状态； 4、材料的晶粒尺寸比较粗大； 5、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出；
措施
屈服强度不够，超过许用应力
蛇形 滑移
宏观
1、放射条纹 2、人字纹 3、小刻面：闪闪发光的小晶面； 4、解理断口上的结晶面宏观上呈无规则取向
产生原因
解理
微观
断
以机制分
1、扇形花样 4、舌状花样
2、解理台阶 5、青鱼骨花样
3、河流花样 6、瓦纳线
1、从材料方面考虑，一般只有冷脆金属才能发生解理断裂。面心立方金属为非冷脆金属一般不会发生解理断裂。 2、构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下； 3、只有在平面状态（即三向拉应力状态）下才能发生解理断裂，或者说构件的几何尺寸属于厚板情况； 4、晶粒尺寸粗大； 5、宏观裂纹存在；