剪切断裂

经不同热处理的7000 系合金在拉伸时的不同失效模式。过时效试样以通常的杯锥模式失效。 而欠时效和峰时效试样却显示出剪切模式。峰时效试样的断口剖面。 剪切平面约与拉伸轴成45°。 剪切变形集中在很窄范围内。峰时效试样的断口扫描电镜照片。

穿晶剪切的微观机理仍然是微孔形核、长大和聚合过程。剪切断口宏观上很平,但在微观上却仍是浅的韧窝。经不同热处理的7000 系合金在拉伸时出现不同失效模式,试样间的区别仅仅是微观组织的不同,以及由之而产生的合金流变性能的改变。产生不同失效模式的原因。

为了澄清穿晶剪切模式的产生条件,我们曾对各种工业铝合金和金属单晶体进行过大量的实验研究和理论分析。下面给出一些典型的结果。

7000 系合金厚板拉伸变形时表现出来的塑性变形各向异性为纵向应变，在纵向变形时,横向应变与短横向应变的变化不同,短横向应变与横向应变的比值随纵向应变的增大而减小。短横向应变与横向应变的比值的绝对值大小与热处理状态有关,欠时效状态时最大,峰时效时其次,过时效时最小。塑性各向异性与热处理状态有关,也就是说,塑性各向异性与显微组织有关。对纯铝单晶体的研究的基本结果也是类似的。

一般情况下,变形铝合金的断裂模式是穿晶破断。如合金的晶界较弱,则可能发生沿晶开裂。但合金的加工制品常有织构且其晶粒是拉长的。因而其流变行为是各向异性的。 单晶体由于其晶体学的原因,其流变行为也是各向异性的。因而,虽然其外在变形条件并非平面应变状态,由于其晶体学的或其它的原因,可以使其塑性变形接近平面应变状态。 这可称为内在平面应变变形状态. 这可以是晶体学(位向和织构) 或显微组织的原因造成的基体形变各向异性。

当合金进行变形时,其应变硬化率均逐渐降低 。

在宏观上看到的剪切断裂，其实主要是由于细观（低于宏观的一个层次）上拉伸破坏引起，当对有裂纹的石膏进行直剪测试，可以发现，首先出现拉裂纹，接着出现剪切破坏。在整个剪切断裂过程中，首先萌生一组倾斜的拉裂纹，随着应力的增加，这些拉裂纹相互贯通，然后形成一个贯穿的剪切面，这样最终导致了最终的剪切断裂 。

合金强度提高以后,韧性一般随之降低。对要求损伤容限性能很高的飞机结构材料来说,韧性始终是关键问题之一。高强铝合金断裂的微观机理和提高高强铝合金韧性的途径问题,是我们长期研究的重点。

穿晶破断、穿晶剪切和沿晶开裂是铝合金的3 种基本断裂模式。虽然铝合金有3 种不同的断裂模式,却只有一种基础断裂机理。铝合金的基础断裂机理是微孔形核、长大和聚合。第二相质点在这基础断裂机理中起着中心作用。

沿特定晶体学平面的解理断裂,在铝合金中只在非常特殊的情况下才可能出现,而且常与特定的环境条件有关。环境对铝合金的断裂模式通常有很大的影响。在一般情况下穿晶断裂的合金,此时可能发生沿晶开裂。在某些情况下,环境会改变基础断裂微观机理,出现类解理型断裂 。

对高强合金来说,在经过一定变形后,其应变硬化率将趋近于0。剪切应变局部化是产生剪切失效的前提,其基本条件为:

1) 变形的平面应变状态(外在或内在的) ;

2) 应变硬化率趋近于0。

剪切应变局部化导致剪开,即为穿晶剪切断裂 。

伴随有较大塑性变形的断裂。典型的延性断裂是穿晶的，通常有剪切断裂和法向（或正向）断裂两种。单轴拉伸载荷作用下沿着拉伸轴约45°的面滑开的断裂称剪切断裂。单晶情况下滑开面通常是滑移面。当剪切在一组平行滑移面上出现时，则形成倾斜型剪切断裂。剪切若沿两个方向发生，则形成凿尖型剪切断裂。厚板或圆柱试样在单向拉伸时，剪切断裂从颈缩区中心开始，并向外扩展。宏观断裂路径垂直于拉伸轴，微观断口呈锯齿状，因其裂纹扩展时是通过与拉伸轴成30°-45°的交替面上剪切而实现的，故这种断裂方式一般称为法向（正向）断裂。它的最终断裂是通过与拉伸轴成45°平面上的剪切断裂。延性断裂是空洞在第二相颗粒上形成、长大和汇合的过程。延性断裂的断口呈韧窝或塑孔状。

非晶合金的断裂在宏观上表现为脆性，在微观上表现为延性断裂。

在恒定或不断增加的载荷条件下，固体材料发生断裂的机制概括有四种：（1）解理断裂机制：拉伸应力使原子间发生断裂。（2）塑形孔洞长大断裂机制：孔洞长大和粗化，或通过塑性流动发生完全颈缩。（3）蠕变断裂机制：通过原子或空隙沿应力方向扩散使空穴长大、粗化。（4）应力腐蚀开裂机制：应变速率参与的发生在裂纹尖端局部的化学侵蚀。

脆性断裂：没有或仅伴随着微量塑性变形的断裂。玻璃的断裂不发生任何塑形变形，是典型的脆性断裂；而金属的断裂总伴随着塑性变形，故金属的脆性断裂只是相对而言。根据裂纹扩展的路径，脆性断裂又可以分为解理断裂和晶间断裂。

断裂解理断裂

一种典型的穿晶脆性断裂。一定晶系的金属一般都有一组在正应力作用下容易开裂的晶面，称为解理面。一个晶体如果沿着解理面发生开裂，则称为解理断裂。

断裂晶间断裂

断裂路径沿着不同位向的晶粒间界出现的断裂。晶间断裂可以脆性的也可以是延性的，分别称为晶间脆性断裂和晶间延性断裂。

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、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。用电镜观察到的断口被称为韧窝的微孔覆盖着，又称韧窝断裂。韧窝是微孔的一半。韧窝有等轴型、切变型和撕裂型3种，其形状受力状态制约，参考韧窝形状可估计造成断裂时的应力状态类型。(杨觉先)穿晶断裂(transgranular fracture)裂纹穿过金属多晶体材料晶粒内部的一种断裂。穿晶断裂一般是韧性断裂，材料断裂前已经承受过大量的塑性变形；但也有可能是脆性断裂。其断裂机制包括剪切、解理和准解理断裂(见解理断裂) 。