破壞:斷裂、疲勞與潛變
延性破裂(ductile fracture)
想像你拉一條口香糖或一根溫熱的太妃糖,一直拉到它斷掉。斷之前它會先伸長、變細,然後才撕開。這就是延性破裂:材料在真正分離之前,會先大量變形給你充分的預警。大多數日常金屬——銅線、低碳鋼、鋁——在室溫下都是這樣破壞的。
在拉伸試驗中,延性金屬會先相當均勻地伸長,接著在某處局部變細形成頸縮(necking)。在頸縮區內部,微小的孔洞會在硬質顆粒或夾雜物處成核,隨著金屬繼續伸長而長大,並串連成一條由中央向外擴展的裂縫。最後斷掉的是外緣,它以大約 45 度剪斷,形成經典的杯錐狀(cup and cone)外形:一半是中央粗糙纖維狀的杯,另一半是相配的錐。在顯微鏡下,斷面佈滿微小的凹窩(dimple),每一個都是被撕開孔洞的一半。
延性破裂是工程師最想要的友善破壞方式,因為它吸收大量能量(高韌性),而且會先預警——零件在斷裂前會明顯膨出或下垂。代價是延性材料通常較軟、強度較低。同一種鋼,會依溫度、加載速率與幾何形狀而以延性或脆性方式破壞,所以「延性」是對破裂方式的描述,而不是貼在材料上的固定標籤。
一根鋼筋在試驗機上被拉伸時會明顯頸縮,然後以杯錐狀斷面斷開。明顯的頸縮,就是工地工程師判斷鋼筋已被拉過降伏點的線索——這是脆性斷裂絕不會給的警告。
帶頸縮的杯錐狀斷面:延性金屬的視覺標誌。
延性不等於軟弱。韌性(斷裂所需能量)與強度(降伏所需應力)是不同的性質:退火銅非常有延性卻不太強,而經適當回火的鋼可以同時又強又有延性。
又稱
另見