金屬的斷裂優(yōu)秀公開課件

５．金屬的斷裂

本章重點(diǎn)：*研究金屬在塑性變形時(shí)裂紋發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律性*變形條件對金屬斷裂的影響*塑性加工中金屬的斷裂

5.1斷裂的基本類型彈性變形→塑性變形→斷裂1．脆性斷裂在正應(yīng)力作用下，物體極快地沿解理面發(fā)生斷裂解理面一般指晶面指數(shù)較低的面脆性解理斷裂的裂紋傳播速度可達(dá)1030m/s

特點(diǎn)：①裂口生成、發(fā)展均很快斷裂前沒有明顯的塑性變形，ε＜5%②斷口平整（破斷面和拉應(yīng)力接近于正交）有金屬光澤斷口⊥σmax斷口沿解理面在電鏡下可看到解理亮面

二種情況：沿解理面的穿晶斷裂——河流狀、舌狀花紋沿晶界的晶間斷裂——冰糖狀、顆粒狀2．韌性斷裂在切應(yīng)力作用下，先產(chǎn)生一定量的塑性變形，然后斷裂。特點(diǎn)：①裂口生成、發(fā)展均很慢斷裂前能產(chǎn)生顯著的塑性變形②斷口粗糙、無光澤，呈暗灰色纖維狀電子顯微鏡下可看到韌窩、撕裂嶺韌性斷裂的斷口具體表現(xiàn)形式有：低塑性材料：切變斷裂斷口∥τmax斷裂面即是滑移面如：密排六方的金屬單晶高塑性材料：拉縮成一點(diǎn)斷開如：Au、Pb、Fe等單晶體一般塑性材料：斷口呈杯錐狀

杯錐狀斷口雙杯錐狀斷口鋼與合金純金屬斷口韌性斷裂主要表現(xiàn)為穿晶斷裂X＜ac時(shí)，隨外力↑(X↑)，結(jié)合力↑X＞ac時(shí)，隨外力↑(X↑)，結(jié)合力↓→0最后導(dǎo)致斷裂X＝ac時(shí)，原子間結(jié)合力最大σmXac原子間作用力與原子間距(X)的關(guān)系σm當(dāng)外力P

使得σ＞σm時(shí)，導(dǎo)致晶體斷裂稱σm為理論斷裂強(qiáng)度σm的估算公式：σm=(E·γ/a)1/2

E——彈性模量

γ——單位面積的表面能a——原子面間距一般金屬材料：σm≈2000kg/mm2

與實(shí)際情況不附二．Griffith理論1．理論的引出假設(shè)：在實(shí)際晶體中存在各種缺陷(微裂口)，在外力作用下，缺陷端部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，在平均應(yīng)力未達(dá)到σm時(shí)，缺陷處的應(yīng)力集中已超過σm，使裂口得以逐步發(fā)展，結(jié)果導(dǎo)致實(shí)際斷裂強(qiáng)度大為下降。Griffith認(rèn)為，對于一定尺寸的裂口存在一個(gè)臨界應(yīng)力值σc當(dāng)σ＜σc時(shí)，裂口不能擴(kuò)大當(dāng)σ＞σc時(shí)，裂口迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致斷裂e1=單位體積彈性能×裂口總體積裂口所松馳的彈性能可近似看作形成直徑為2c的無應(yīng)力區(qū)域所釋放的能量粗略估計(jì)值：e1≈－1/2σ·ε×πc2=－πc2σ2/2E更精確計(jì)算出的值為粗略估計(jì)值的二倍，即：

e1=－πc2σ2/Ee2=單位面積表面能×裂口總面積=4cγ

e=4cγ－πc2σ2/E討論c＜ckc↑、e↑c(diǎn)＞ckc↑、e↓ck：裂口擴(kuò)展臨界長度裂口傳播的條件裂口的長度對應(yīng)于能量e=e1+e2的極大值，裂口就可自發(fā)的擴(kuò)展emaxde/dc=04γ－2πσ2c/E=0裂口傳播的臨界拉應(yīng)力為：σc=(2Eγ/πc)1/2≈(Eγ/c)1/2

Griffith公式

σ＞σc時(shí)，裂口才能擴(kuò)展c↑、σc↓裂口長度越大，所需臨界應(yīng)力越小Griffith理論較適合于非晶體和脆性材料三．裂口形核機(jī)理基本思想：位錯(cuò)理論在外力作用下，刃型位錯(cuò)的合并可構(gòu)成裂口的胚芽幾種具體機(jī)理：1．位錯(cuò)塞積機(jī)理位錯(cuò)沿某一滑移面移動受阻，在障礙物前塞積，產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，形成裂口2．位錯(cuò)反應(yīng)機(jī)理二位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)生成不易移動的新位錯(cuò)，使位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，形成裂口4．位錯(cuò)墻側(cè)移機(jī)理由于位錯(cuò)墻一部分側(cè)移，使滑移面產(chǎn)生彎折，形成裂口結(jié)論：刃型位錯(cuò)合并、堆積→應(yīng)力集中→斷裂源→達(dá)到σc條件→裂口擴(kuò)展→脆斷5.3韌性斷裂的裂口形成與發(fā)展一．韌性斷裂的形成過程均勻拉伸產(chǎn)生細(xì)頸在三向拉應(yīng)力微孔合并長大作用下產(chǎn)生微孔形成小裂口裂口沿垂直于拉伸方向擴(kuò)展，接近表面沿τmax方向斷裂形成杯錐狀↑↓2．雜質(zhì)本身的破碎3．因位錯(cuò)塞積，造成應(yīng)力集中，形成微裂紋三．裂口的發(fā)展與修復(fù)裂口的發(fā)展過程：亞顯微破壞(形成微孔)→顯微破壞(形成小裂口)→宏觀破壞(裂口發(fā)展)→斷裂裂口的修復(fù)過程：已形成的破壞在變形過程中得以修復(fù)當(dāng)溫度t＜tk時(shí)，σf＜σs，材料先達(dá)到σf，但此時(shí)并不發(fā)生斷裂，因?yàn)榇藭r(shí)材料中并無裂口。只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs

時(shí)，裂口才成核，并隨即迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂，沒有明顯的塑性變形——脆性斷裂tk——脆性轉(zhuǎn)化溫度二．變形速度變形速度↑，材料趨向于脆性斷裂

k:臨界變形速度＞kσf＜σs——脆性斷裂＜k

σf＞σs——韌性斷裂三．應(yīng)力狀態(tài)用軟性系數(shù)

α=τmax/σmax表示

τ——推動位錯(cuò)移動，決定位錯(cuò)堆積的數(shù)目，對塑性變形和斷裂的發(fā)生和發(fā)展過程都有影響

σ——只影響斷裂的發(fā)展過程，拉應(yīng)力促使裂縫的發(fā)展。因此，軟性系數(shù)值越大越易發(fā)生韌性斷裂采用如下公式計(jì)算τmax和σmax

τmax=(σ1－σ3)/2σmax=σ1－υ(σ2＋σ3)取υ=0.25得到：三向等拉伸α=0單向拉伸α=0.5扭轉(zhuǎn)α=0.8單向壓縮α=2三向不等壓縮α=∞壓應(yīng)力↑α↑——韌斷一般α＞0.5軟應(yīng)力狀態(tài)韌性斷裂

α＜0.5硬應(yīng)力狀態(tài)脆性斷裂

5.5塑性加工中金屬的斷裂一．鐓粗時(shí)的側(cè)面開裂1．產(chǎn)生原因Ⅲ區(qū)鼓形處受有環(huán)向拉應(yīng)力作用T/℃過高，晶界強(qiáng)度減弱，易沿晶界拉裂,裂口⊥σ環(huán)，如圖(a)T/℃較低，穿晶切斷，沿τmax斷裂裂口與σ環(huán)成45°角，如圖(b)2．防止措施σ環(huán)↓——不均勻變形↓，鼓形↓①f↓提高表面光潔度，采用潤滑劑②加軟墊壓縮開始，軟墊先變形，拖著工件端面一起向外流動，使工件側(cè)面成凹形，隨后，軟墊產(chǎn)生了加工硬化，工件開始顯著變形，凹→平→凸，鼓形↓，σ環(huán)↓

③活動套環(huán)或包套鐓粗套環(huán)一般由普通鋼制成，加熱溫度比坯料低，變形抗力大，對坯料的流動起限制作用，增加三向壓應(yīng)力。二．鍛壓延伸時(shí)的內(nèi)部裂紋１．平錘頭鍛壓方坯時(shí)產(chǎn)生X形內(nèi)裂①產(chǎn)生原因a)鍛壓時(shí)，對角線方向金屬流動發(fā)生錯(cuò)動每翻轉(zhuǎn)90°，金屬錯(cuò)動方向改變b)鑄造組織鋼錠中心及對角線是雜質(zhì)和缺陷聚集的地方，為薄弱環(huán)節(jié)有柱狀晶更易開裂c)對角線方向ε最大熱效應(yīng)大，溫升高，對角線處易過燒，導(dǎo)致開裂若中心薄弱，裂紋如圖c上若角部薄弱，裂紋如圖c下

②預(yù)防措施a)減小送進(jìn)量l

工件與工具的接觸長度

一般l=(0.6～0.8)hb)減小柱狀晶c)減小壓下量△h

112．平錘頭鍛壓圓錠時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)裂①產(chǎn)生原因鍛壓圓錠時(shí)，相當(dāng)于壓縮厚件。假若沒有外端，則可自由地形成雙鼓形，但由于外端的拉齊作用，使工件中心產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。當(dāng)翻轉(zhuǎn)90°鍛成方坯時(shí)，裂紋如圖(d)，十字形當(dāng)旋轉(zhuǎn)鍛造圓坯時(shí)，裂紋如圖(e)，放射狀②防止措施采用槽形或弧形錘頭，增加側(cè)壓，使附加拉應(yīng)力↓用圖(a)的各種錘頭鍛壓圓坯時(shí)，都有或多或少的在坯料中心處出現(xiàn)裂紋；而用圖(b)所示的兩種錘頭壓縮時(shí)，總變形量達(dá)40%都還未出現(xiàn)任何裂紋。可見，最好采用如下兩種錘頭:頂角不超過110°的槽形錘頭R≤r、包角為100°~110°的弧形錘頭R——弧形的曲率半徑r──圓坯半徑1三．鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋1．產(chǎn)生原因當(dāng)l/h＜0.5時(shí)，在斷面中心產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。2．防止措施①△h↑變形滲透性↑，附加拉應(yīng)力↓②送進(jìn)量l↑如下圖(b)l=(0.6~0.8)h③增加軋輥直徑D有利于內(nèi)部缺陷的焊合四．鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的角裂1．產(chǎn)生原因未及時(shí)倒棱，角部溫降大，產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力角部變形抗力大，延伸小，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力2．防止措施①及時(shí)倒棱②加熱時(shí)防止角部過熱或過燒③適當(dāng)輕打五．鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的端裂（劈頭）１．產(chǎn)生原因錘擊過重時(shí)，端面鼓形嚴(yán)重，Ⅱ區(qū)質(zhì)點(diǎn)向外鼓脹，使Ⅲ區(qū)外表面受拉力Q作用，在此拉力的作用下，使軋件端面開裂。2．防止措施正常鍛壓前先鍛頭部，改善端部的塑性避免軋件表面溫度降低過大六．軋板時(shí)的邊裂和薄件的中部裂

１．產(chǎn)生原因凸輥軋制：邊部受縱向附加拉應(yīng)力，出現(xiàn)邊裂凹輥軋制：中部受縱向附加拉應(yīng)力，出現(xiàn)中部裂口２．防止措施限制邊部自由寬展，防止邊裂采用合適的輥型和坯料斷面形狀七．拉拔時(shí)的內(nèi)裂１．產(chǎn)生原因當(dāng)l/d0較小時(shí)，只產(chǎn)生表面變形，中心部位受附加拉應(yīng)力２．防止措施增加l/d0減小?？族F角α增加ε，使變形深入到棒材的軸心區(qū)八．?dāng)D壓時(shí)的竹節(jié)狀裂紋１．產(chǎn)生原因擠壓時(shí)，擠壓缸與?？椎哪Σ磷饔?，表面變形小，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力２．防止