不同的材料,可能有不同的断裂方式,但是断裂属于塑性断裂还是脆性断裂,不仅与材料的化学成分和组织结构有关,而且还受工作环境、加载方式的影响。塑性材料在一定的条件下可以是脆性断裂,而脆性材料在一定条件下也表现出一定的塑性。如在室温拉伸时呈脆性断裂的铸铁等材料,在压应力的作用下却有一定的塑性。因此,在生产实际中,拉伸时呈脆性断裂的材料通常只用来制造在受压状态下工作的零件,而不用来制造重要零件。可见,研究影响材料断裂因素对工程实际应用十分重要。下面扼要介绍几个主要影响因素。
(1)裂纹和应力状态的影响
对大量脆性断裂事故的调查表明,大多数断裂是由于材料中存在微小裂纹和缺陷引起的。裂纹的存在引起应力集中,且产生复杂的应力状态,就改变了构件的断裂行为。同样,受载方式不同会造成应力状态的改变,也能改变材料的断裂行为。例如拉伸或弯曲时很脆的材料(如大理石),在受三向压应力时,却表现出良好的塑性。
(2)温度的影响
中、低强度钢的断裂过程都有一个重要现象,就是随着温度的降低,都有从塑性断裂逐渐过渡为脆性断裂的现象,尤其是当试样上带有裂纹和缺口时,更加剧了这种过渡倾向。中、低强度钢光滑试样的屈服强度Rr0.2随着温度的下降而升高,而裂纹扩展所需的临界应力σf则基本不变,因此存在着一个两应力相等的温度Tc。当T>Tc时,σf>Rr0.2,当应力达到Rr0.2时就产生塑性变形,也导致微裂纹的形成,但裂纹还不能扩展,只有当应力达到裂纹所需的临界应力时才能造成断裂,即试样要经一定的塑性变形后才断裂,此时为塑性断裂;当T<Tc时,σf<Rr0.2,当应力达到σf时并不发生断裂,此时金属中尚无裂纹,只有当应力增大到Rr0.2时,裂纹才能形成,随即迅速扩展,导致脆性断裂。一般此温度称为脆性转变温度。当试样中存在裂纹及缺口时,会使脆性转变温度升高。通常用带缺口的试样进行系列冲击试验来测定这一温度。图5-9所示为冲击韧度随温度的变化曲线。从图中可以看出,当温度降至某一数值时,试样急剧脆化,这个温度就是脆性转变温度。脆性转变温度一般是一个范围,它的宽度和高低与金属的晶体结构、晶粒大小、应变速率、应力状态、化学成分、杂质元素等因素有关。一般来说,体心立方金属冷脆断裂倾向大,脆性转变温度高,密排六方金属次之,面心立方金属则基本上没有温度效应。晶粒越细,裂纹形成和扩展的阻力越大,所以细化晶粒可使脆性转变温度降低。此外,合金元素Ni具有显著降低脆性转变温度的作用。
(3)其他影响因素
除材料本身的影响因素外,影响材料断裂的外界因素还有很多。例如环境介质对断裂有很大影响,某些金属与合金在腐蚀介质和拉应力的同时作用下,产生应力腐蚀断裂。金属材料经酸洗、电镀或从周围介质中吸收了氢之后,产生氢脆断裂。变形速度的影响比较复杂,一方面,变形速度增大,使金属加工硬化严重,因而塑性降低。另一方面它又使变形热来不及散出,促使加工硬化消除而提高塑性。至于哪个因素占主导地位,要视具体情况而定。