材料断裂的方式和原因

几乎所有工程结构，从齿轮和阀门到建筑物和桥梁，都必须设计成能够安全有效地运行。即使是最小的组件出现故障也常常会造成灾难性的后果。避免失败的关键通常始于理解材料断裂背后的概念。因此，设计工程师必须具备足够的材料断裂和断裂力学知识。

什么是材料断裂？

断裂是材料在外加应力的作用下分离成两块或更多块。材料可能会经历两种主要类型的断裂模式之一，具体取决于其机械性能：延展性和脆性。发生延性断裂的材料首先经历塑性变形，即材料通过自身拉伸来抵抗断裂。想象一下拉塑料袋的两端。袋子在最终撕裂之前会拉伸相当大的量。这种塑性变形不仅限于聚合物，也存在于金属合金中。另一方面，发生脆性断裂的材料将在塑性变形可忽略不计的情况下断裂。换句话说，它们会在没有警告的情况下破裂。无论断裂类型如何，材料在失效过程中都会经历：裂缝形成，所有裂缝开始的地方，以及裂纹的扩展，响应施加的应力在延性断裂中，这种裂纹是稳定的，即它会经历连续变形，只有在施加更大的应力时才会扩展。因此，延展性材料通常会在失效前发生很大程度的变形，从而在它们完全断裂之前发出警告。另一方面，当脆性断裂形成裂纹时，它们会瞬间在材料中传播；因此，故障可能会在几乎没有警告的情况下发生。这是使脆性破坏如此不受欢迎的特征之一，尤其是在建筑施工等应用中。在接下来的部分中，我们将深入探讨这两种断裂的机制，并了解在实验室环境中测试材料断裂的一些最常见方法。

脆性和韧性断裂力学

韧性断裂（杯锥形断裂）大多数金属和金属合金具有延展性。延性断裂的主要特征之一是一种称为颈缩的现象。在颈缩过程中，材料的横截面在发生断裂之前逐渐减小。破碎物的分离端呈凹凸状。因此，韧性断裂通常被称为杯锥断裂。杯锥形成的阶段是：

韧性材料发生颈缩
微孔开始垂直于应力方向形成
微孔结合形成裂缝
裂纹扩展
材料最终破裂（分别在顶部和底部形成杯形和圆锥形）

脆性断裂在脆性断裂中，由于裂纹扩展是瞬时的，因此没有观察到明显的变形。与产生杯状和锥状形状的延性断裂相比，这种传播几乎完全垂直于拉伸应力的方向。虽然脆性断裂具有独特的形状，但不同的材料可能表现出独特的特性。例如，在脆性钢中，V形标记通常出现在断面的中心。另一方面，对于像陶瓷玻璃这样的无定形材料，断裂截面的表面可能具有光滑、有光泽的外观。

影响材料断裂的因素

工程师必须了解不同类型断裂的机制，以便为材料选择提供信息并减轻潜在的灾难性故障。影响材料断裂的一些关键因素包括：应力集中对于大多数脆性材料，测得的断裂强度远低于基于材料中原子键能的预测理论值。这是由于材料横截面中存在微观裂纹和其他缺陷。因此，在计算断裂强度时必须考虑这些应力集中因素。还必须考虑施加负载的位置。考虑一种圆柱形材料，其横截面上有一条细长的裂纹（缺陷）。它在断裂前可以承受的最大应力是在裂纹尖端测量的，它取决于施加的应力和裂纹的物理特性。然而，在远离裂纹的地方施加载荷可能会改变测得的断裂强度。断裂韧性断裂韧性是材料在出现裂纹时对施加应力的抵抗力。该参数取决于：

裂纹扩展的临界应力
裂缝长度
裂缝几何学

对于薄试样，断裂韧性还取决于其厚度。然而，断裂韧性对厚材料的影响较小。

如何测试冲击性骨折

两种最常用的冲击试验是夏比冲击试验和伊佐德冲击试验。为执行这些测试，将锤子连接到摆锤上，对试样施加冲击力。锤子首先升高到其起始位置然后释放，在其向下运动期间击打试样。由于部分锤子的能量被样品吸收，摆锤在另一侧摆动到较小的最大高度。锤击试样前后最大高度之差用于计算冲击功。Charpy和Izod之间的唯一区别是试样的加载方式。