1.材料性质的影响

断口上的三要素是塑性过载断裂的基本特征。材料的性质对其具有很大的影响。不同性质的材料虽然发生的同是过载断裂，但其断口形貌却有很大的差异。在失效分析时，可以根据这些差异推断材料的性能特点，这对于正确地分析致断原因是有很大帮助的。

1）对于大多数的单相金属、低碳钢及珠光体状态的钢，其过载断裂断口上，具有典型三要素的特征。

2）对于高强度材料、复杂的工业合金及马氏体时效钢等，其断口的纤维区内有环形花样，其中心像火山口状，“火山口”中心必有夹杂物，此为裂纹源。另外，还有放射区细小及剪切唇也较小等特点。

3）对于中碳钢及中碳合金钢的调质状态，其断口的主要特征是具有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切是一种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩展时，沿最大切应力方向发生剪切变形的结果。其另一特点是放射线不是直线的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。

4）对于塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有纤维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，则材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑性降低，脆性增大。

5）纯金属还可能出现一种全纤维的断口或45°角的滑开断口。

6）对于脆性材料的过载断裂，其断口上可能完全不出现三要素的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。

图4-3 所示为几种拉伸断裂断口形貌。

图4-3 几种拉伸断裂断口形态

a）高塑性材料的拉伸断口（只有纤维区，没有放射区） b）中碳钢调质状态的拉伸断口（粗大的放射剪切花样） c）中碳钢回火脆性状态的拉伸断口（断口齐平，沿晶型）

2.零件几何形状与尺寸的影响

零件的几何形状与结构特点对过载断裂，特别是对宏观塑性的过载断裂的断口特征会产生一定的影响。例如：零件上存在的各式各样的尖角、缺口引起的应力集中现象较为严重时，将会直接影响断裂源产生的部位、三要素的相对大小及形貌特征；在进行断裂失效分析时，为了寻找断裂源的部位要特别注意这一变化。

（1）圆形试件 圆形试件拉伸塑性断裂的断口特征：光滑试件通常有如图4-1所示的形貌特征；缺口试件断口上的三要素的宏观位置与光滑试件有很大的差异，如图4-4所示。由于缺口处的应力集中，裂纹直接在缺口或缺口附近产生，纤维区沿圆周分布（或观察不到纤维区），最后断裂区一般要比其他部位的断口粗糙得多。对于圆形或近圆形截面的零件，断裂时可根据断口上的三要素位置判断断裂的起始点即断裂源。由于实际零件材料、热处理和所处应力状态的变化，在实际分析时，通常难以得到完整的三要素，这时，放射区中放射线的方向是判断断裂过程的重要依据。由于应力状态的关系，通常的过载断裂，断裂源即纤维区总是在断面的近中心部位；一旦发现相反的放射线走向，即断裂源不在零件的中心区域，而是在表面或近表面某一位置，则可以确定为零件表面存在较严重缺陷，可以是切削加工缺陷，也可以是大的夹杂物、裂纹等冶金缺陷。

若缺口试件的裂纹以不对称的方式由缺口向内部扩展，断口形态较为复杂，其断裂过程与零件的应力状态有关。如图4-5所示，其初始阶段可能是纤维状的，第二阶段则可能是放射状的。当第一阶段和第二阶段相交截，裂纹停止扩展，形成最后断裂区。

图4-4 缺口圆形试件过载断裂形貌示意图

1—缺口 2—纤维区 3—放射区 4—最后断裂区

图4-5 裂纹不对称扩展断口形貌示意图

1—初始阶段 2—第二阶段 3—最后断裂区 4—裂纹扩展方向

（2）矩形试件 矩形试件过载断口上也有三要素的特征，不过断口上的三要素的相对位置，因其结构方面的影响有图4-6所示的四种情况。矩形试件断口上的主要特征是裂纹快速扩展区的人字纹花样。图4-7所示为实际断口上的人字纹花样。

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图4-6 矩形试件过载断裂断口形貌示意图

a）侧面缺口试件 b）无缺口试件表面起裂 c）无缺口试件中心起裂d）周边缺口试件

对于矩形或类似形状的零件的断裂分析，人字纹形状和走向是寻找断裂源和判断失效性质的重要依据。表面光滑的零件的断口上人字纹的尖部总是指向裂纹源的方向，而周边有缺口时正好相反。

（3）几何尺寸的影响 无论何种形状的零件，其几何尺寸越大，放射区的尺寸越大，纤维区和剪切唇的尺寸一般也有所增大，但变化幅度较小，如图4-8所示。在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。

图4-7 实际断口上的人字纹花样

3.载荷性质的影响

载荷性质不仅对断口中三要素的相对大小有影响，而且有时也会使其断裂的性质发生很大的变化。

（1）断口中三要素相对大小的变化 应力状态的柔性对三要素的相对大小有较大的影响。三向拉应力为硬状态，三向压缩为柔性状态；快速加载为硬状态，慢速加载为柔性状态。由于材料在硬状态应力作用下表现为较大脆性，所以放射区加大，纤维区缩小，剪切唇变化不大。

图4-8 试样直径对三要素区域尺寸比例的影响

注：试样材料为40CrNiMoA钢。采用无缺口拉伸试样。

图4-9 冲击断口形貌

a）实物图 b）一般情况 c）材料塑性较好 d）材料脆性较大 e）脆性断口 F—纤维区 R—放射区 S—剪切唇

（2）断口形貌的变化 对于同一种材料及尺寸相同的零件，拉伸塑性断口与冲击塑性断口的形貌有所不同。冲击断口形貌如图4-9所示。在受拉侧起裂并形成拉伸纤维区，向内扩展形成放射区，但当进入压缩侧时，放射花样可能消失，而出现压缩纤维区，周边为剪切唇（见图4-9b）；如果材料塑性足够大，放射区可能完全消失，断口上仅有拉伸纤维、压缩纤维及剪切唇（见图4-9c）；如果材料的脆性较大，压缩纤维区变小，甚至消失，代之出现的是压缩放射区（见图4-9d），并可看到此放射区和拉伸区不在同一个平面上；某些塑性材料，在冲击载荷作用下，甚至完全表现出脆性断裂的特征，如图4-9e所示。

4.环境因素的影响

温度的变化及介质的性质对过载断裂的断口也有影响。例如：温度升高，一般使材料的塑性增大，因而纤维区加大，剪切唇也有所增加，放射区相对变小，如图4-10所示。

腐蚀介质可能使通常的延性断裂变为脆性断裂。

总之，过载断裂失效断口的特征受材料性质、零件的结构特点、应力状态及环境条件等多种因素的影响。在失效分析时，可以根据它们的关系及变化规律，由断口特征推测材料、载荷、结构及环境因素参与断裂的情况及影响程度，这对于分析过载断裂失效的原因是十分重要的。

图4-10 温度对断口三要素各区相对大小的影响

注：试样材料为40CrNiMoA钢。