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。
结论
断裂只是由于施加的应力将材料分离成几块。断裂分为两大类：韧性断裂和脆性断裂。材料将经历的断裂类型主要取决于它在开裂前的变形能力。
对于这两种断裂，失效都始于裂纹形成，然后发展为裂纹扩展并最终分离。
对于工程师和设计师来说，了解材料断裂背后的机制以确保所选材料在给定环境中发挥预期作用至关重要。
