金属断裂的裂纹形成机理

金属断裂始于材料内部微小缺陷，这些缺陷成为应力集中点。在外力作用下，原子键合开始断裂，形成微小裂纹。裂纹尖端应力场导致周围原子进一步分离，裂纹扩展。常见缺陷包括夹杂物、气孔和晶界偏析。温度变化、疲劳载荷和腐蚀环境会加速这一过程。高碳钢中的珠光体组织裂纹扩展速度比低碳钢快3-4倍，铝合金在高温环境下更容易形成沿晶裂纹。

裂纹扩展分为两个阶段：稳定扩展和失稳扩展。稳定扩展阶段，裂纹缓慢增长，材料仍能承受载荷；失稳扩展阶段，裂纹快速扩展，材料突然失效。疲劳载荷下，裂纹每循环扩展约0.1-10微米。应力腐蚀环境中，裂纹扩展速度可达正常疲劳的10倍以上。复合材料的层间断裂表现为分层，陶瓷材料则表现为穿晶断裂，这些差异源于材料原子结构和晶体结构的根本不同。