断口特征三要素

从宏观形貌来看，韧性断口一般分为杯锥状（或双杯状）、凿峰状、纯剪切断口等。其中塑性金属光滑圆试样拉伸杯锥状断口是一种最为常见的韧性断口。这种类型断口通常可分为三个区域，即纤维区、放射区和剪切唇区，也就是所谓的断口特征的三要素，如图4-5所示。

图4-5 光滑圆试样拉伸断口示意图

纤维区：位于断口的中央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断断裂。断口的颜色是断口对光的反射的结果，纤维状断口颜色发暗是由于这种断口表面对光的反射能力很弱（散射能力强）的缘故。

放射区：紧接着纤维区的第二个区域是放射区，纤维区和放射区的交界线标志着裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化。放射区的特征是放射花样，放射线发散的方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等。根据放射花样的形态，可分为“放射纤维”和“放射剪切”两种，“放射纤维”的放射元呈纤维状，一般总是直的。“放射剪切”的放射元并不总是直的，若裂纹源偏离试样中心，且放射线很粗时，放射花样就发生弯曲。

剪切唇区：最后断裂的区域形成剪切唇，剪切唇表面较光滑，与拉伸应力呈45°角，属于切断型断裂。它是平面应力状态下发生的快速不稳定扩展。在一般情况下，剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。根据剪切唇的大小及在断口上所占的位置，可分为两种情况，一种情况是断口上只有纤维区和剪切唇区两个区域，这时剪切唇区在断口表面所占的比例较大。裂纹从试样中心的纤维区向外扩展时，裂纹外侧整个区域都有很大的塑性变形。而剪切唇区就在该塑性区中形成。另一种情况是，断口上同时有纤维区、放射区和剪切唇区，剪切唇区与放射区相邻，这时它所占的比例较小。因为裂纹在放射区中快速扩展时，塑性变形限制在裂纹前端很小的区域内，只有当塑性变形区随裂纹扩展临近试样表面时，才形成剪切唇区。当断裂过程相对于试样断口来说完全对称时，剪切唇仅存在于试样断口两侧中的一侧，呈杯状，另一侧呈锥状；当不对称时，剪切唇可能同时存在于断口的两侧。

对于带缺口的圆形拉伸试样，断口三要素的分布与光滑圆形试样不同。试样中心部分，基本上是放射区；纤维区在试样周围形成环状；裂纹源在缺口底部萌生，裂纹扩展方向刚好与光滑试样相反，从周围开始向中心扩展；这类断口基本上无剪切唇，如图4-7所示。

在室温下很纯的金属中，还会出现“双杯状”断口，该断口是全纤维断口，没有放射区和剪切唇区。这是由于纤维区的裂纹单一地沿垂直于轴的方向缓慢扩展，并且在未断区域发生强烈的塑性变形而逐渐形成一个很大的中心空洞。

如果试样的中心没有萌生裂纹，断面收缩率可达到100%，材料会被拉成一个点，形成凿峰状断口。

纯剪切断口也是一种常见的韧性断口，这种断口的平面和拉伸轴呈45°角，断口比较光亮，但断口附近也有明显的宏观塑性变形的痕迹。具有较低抗剪强度的材料（如镁合金、大多数变形铝合金和冷加工钢等）易于产生这种断口。

由上可见，韧性断口的宏观基本特征是：断口附近有明显的宏观塑性变形；断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主应力，锥面平行于最大切应力，与主应力呈45°角；或整个断口平行于最大切应力，与主应力呈45°角的剪切断口；断口表面呈纤维状，颜色灰暗。