破壞:斷裂、疲勞與潛變
脆性破裂(brittle fracture)
想像折斷一片乾餅乾、一塊玻璃,或一根粉筆。沒有伸長、沒有預警——前一刻還是完整的,下一刻就成了兩半,往往伴隨一聲清脆的斷裂。這就是脆性破裂:材料幾乎不發生塑性變形就斷裂,而裂縫一旦啟動,就以接近音速的速度貫穿整個材料。
由於幾乎沒有降伏,脆性破裂所需能量非常小,兩個斷面幾乎可以完美地拼合回去(沒有材料因頸縮而被消耗)。裂縫通常直接穿過晶粒(穿晶劈裂/cleavage),沿著脆弱的結晶面把晶粒劈開;在顯微鏡下留下平坦光亮的小平面與扇形的河流狀花樣(river pattern),指回裂縫的起點。若晶界因雜質而弱化,裂縫也可能改沿晶界擴展(沿晶破裂)。在較大尺度上,斷面上的人字形(chevron)或 V 形花紋,像箭頭一樣指回破壞的起源處。
脆性破裂之所以危險,正是因為它不給預警、所需能量又小——一次小小的過載或一道隱藏的缺陷,就能引發突然而徹底的破壞。陶瓷與玻璃在一切正常溫度下都是脆的;一般鋼材在低溫、快速加載或有缺口時也會轉為脆性(見延脆轉換)。著名的災難——自由輪在寒冷海域中攔腰斷裂、鐵達尼號的船殼鋼——都是金屬的脆性破裂,而這些金屬在較溫暖、較緩慢的條件下本會是延性的。
一塊在夏天既韌又可彎折的船用鋼板,若裂縫從尖銳的艙口角落開始,在酷寒的夜裡可能像玻璃一樣碎裂。二戰時多艘自由輪就在寒冷水域中於碼頭邊真的斷成兩半,這催生了整個破壞力學領域。
同一種鋼,兩種個性:溫暖時延性,寒冷加缺口時脆性。
脆性不只是陶瓷的性質。一般具延性的鋼,只要溫度夠低、加載夠快,或缺口夠尖銳,就可能以脆性方式破壞——這是三個經典的觸發條件。
又称
另见