脆性斷裂，是一種與時(shí)間無關(guān)的過應(yīng)力失效機(jī)理，當(dāng)元器件中的應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，這種機(jī)制會(huì)迅速發(fā)生，且?guī)缀鯖]有先兆。它發(fā)生在脆性材料中，如陶瓷、玻璃和硅，這些材料幾乎沒有伴隨性的塑性變形，而且相對(duì)來說能量吸收極少。在電子封裝中，陶瓷基板和硅基集成電路可能發(fā)生脆性斷裂。用于預(yù)測(cè)脆性材料失效的最常用的準(zhǔn)則是本體內(nèi)的最大主應(yīng)力。當(dāng)最大主應(yīng)力達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，就可以認(rèn)為會(huì)發(fā)生失效。脆性斷裂發(fā)生前無宏觀塑性變形，幾乎沒有預(yù)兆，并且發(fā)展很迅速，一旦開裂，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展，造成大裂口或整體斷裂，通常還會(huì)產(chǎn)生很多碎片，因而脆性斷裂很容易造成突發(fā)嚴(yán)重事故。
簡(jiǎn)介
脆性斷裂一般發(fā)生在高強(qiáng)度或低延展性、低韌性的金屬和合金上。另一方面，即使金屬有較好的延展性，在下列情況下，也會(huì)發(fā)生脆性斷裂，如低溫，厚截面，高應(yīng)變率（如沖擊），或是有缺陷。脆性斷裂引起材料失效一般是因?yàn)闆_擊，而非過載。
經(jīng)長(zhǎng)期研究，人們認(rèn)識(shí)到，過去我們把材料看做毫無缺陷的連續(xù)均勻介質(zhì)是不對(duì)的。材料內(nèi)部在冶煉、軋制、熱處理等各種制造過程中不可避免地產(chǎn)生某種微裂紋，而且在無損探傷檢驗(yàn)時(shí)又沒有被發(fā)現(xiàn)。那么，在使用過程中，由于應(yīng)力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)，就會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷的事故。
脆性斷口宏觀特點(diǎn)：斷口平齊而光亮，且與正應(yīng)力垂直；斷口呈人字或放射花樣。
機(jī)理
雖然由于裂紋的存在，材料在力學(xué)特性上呈現(xiàn)出非線性特征，但是脆性材料本身是彈性連續(xù)的，其裂尖的開裂過程可看做是連續(xù)的。因此在小范圍屈服的條件下，裂尖的破壞和斷裂過程仍可用線彈性力學(xué)理論加以解釋和描述。
設(shè)A和B分別為裂紋尖端處裂尖徑向方向上相鄰的兩個(gè)材料微單元體，其公共界面為節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4之間的連線。在荷載作用下裂尖應(yīng)力場(chǎng)在微元A和B上的最大應(yīng)力分別為eA與eB，當(dāng)荷載增加使得這兩個(gè)應(yīng)力先后達(dá)到破壞應(yīng)力eC時(shí)，單個(gè)微元產(chǎn)生破壞并沿破壞面斷裂；微元A和B的潛在破壞面分別用A′和B′表示，兩者分別穿過各自微元中心OA和OB。
在某一組遠(yuǎn)場(chǎng)力系p1作用下，若微元A的潛在破壞面A'1和微元B的潛在破壞面B'1共面(三維情況)或共線(二維情況)，則微元A與微元B的破壞過程能夠傳遞和繼續(xù)傳播，從而形成一個(gè)連續(xù)的破壞斷裂面而使裂紋發(fā)生開裂與擴(kuò)展。
在另外一組遠(yuǎn)場(chǎng)力系p2作用下，若在微元A與微元B中形成潛在破壞面A'2和B'2，且相互平行，與兩個(gè)微元中心連線OAOB之間的夾角為T，兩個(gè)潛在破壞面在兩個(gè)微元共邊或共面34上的交點(diǎn)a2和b2不重合。由于材料的線彈性連續(xù)性，微元A和B僅有彈性變形而沒有塑性變形，節(jié)點(diǎn)3和4不可能發(fā)生裂開，也不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。所以微元受力作用產(chǎn)生變形后，點(diǎn)a2和b2不會(huì)重合在一起，因此破壞面A'2和B'2無法形成共線(二維情況)或共面(三維情況)狀態(tài)。于是在這種情況下微元A和微元B的破壞過程不能傳遞下去，因此不能形成連續(xù)破壞面，無法產(chǎn)生宏觀裂紋擴(kuò)展。
由此可見，在脆性斷裂時(shí)，裂紋開裂擴(kuò)展方向并不是由材料的最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或最大屈服點(diǎn)所決定，而應(yīng)考慮脆性斷裂微過程傳播的上述一致連續(xù)性特點(diǎn)。
種類
脆性斷裂根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑的不同，可分為晶間斷裂和解理斷裂。晶間斷裂是裂紋延晶界擴(kuò)展的斷裂，解理斷裂是裂紋延解理面擴(kuò)展的斷裂。
具體來說，單晶體的脆性斷裂主要表現(xiàn)為解理斷裂，裂紋沿解理面擴(kuò)展；多晶體的脆性斷裂則可能表現(xiàn)為沿晶斷裂，裂紋走向沿著晶面，而并不在某一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；或者是穿晶（晶內(nèi)）斷裂，裂紋沿著多晶粒的解理穿過，而不管晶界的位置如何。
事例
20世紀(jì)50年代，美國(guó)發(fā)射北極星導(dǎo)彈，其固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，采用了超高強(qiáng)度鋼制造，屈服強(qiáng)度為1400MPa，按照傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與驗(yàn)收時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都符合要求，設(shè)計(jì)時(shí)的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，但點(diǎn)火不久，就發(fā)生了爆炸。
為什么材料會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷。
原因：傳統(tǒng)力學(xué)把材料看成是均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的連續(xù)的理想固體，但是，實(shí)際工程材料在制備、加工（冶煉、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、冷加工等）及使用中（疲勞、沖擊、環(huán)境溫度等）都會(huì)產(chǎn)生各種缺陷（白點(diǎn)、氣孔、 渣、未焊透、熱裂、冷裂、缺口等）。
缺陷和裂紋會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，所受拉應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍。過分集中的拉應(yīng)力如果超過材料的臨界拉應(yīng)力值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。
參考資料 >