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1、金属的断裂 本章重点：*研究金属在塑性变形时裂纹发生和 发展的规律性*变形条件对金属断裂的影响*塑性加工中金属的断裂,5.1 断裂的基本类型 弹性变形塑性变形断裂 1脆性断裂 在正应力作用下，物体极快地 沿解理面发生 断裂 解理面一般指晶面指数较低的面 脆性解理断裂的裂纹传播速度可 达 1030 m/s,特点：裂口生成、发展均很快 断裂前没有明显的塑性变形，5%断口平整（破断面和拉应力接近于 正交）有金属光泽 断口max 断口沿解理面 在电镜下可看到解理亮面,二种情况：沿解理面的穿晶断裂 河流状、舌状花纹沿晶界的晶间断裂 冰糖状、颗粒状,穿晶断裂 断裂时裂纹发展穿过晶粒内部(韧断)晶间断裂 断
2、裂时裂纹发展沿着晶界(脆断),2韧性断裂在切应力作用下，先产生一定量的塑性变形，然后断裂。特点：裂口生成、发展均很慢 断裂前能产生显著的塑性变形 断口粗糙、无光泽，呈暗 灰色纤维状 电子显微镜下可看到韧窝、撕裂岭,韧性断裂的断口具体表现形式有：低塑性材料：切变断裂 断口max 断裂面即是滑移面 如：密排六方的金属单晶高塑性材料：拉缩成一点断开 如：Au、Pb、Fe等单晶体,一般塑性材料：断口呈杯锥状,杯锥状断口 双杯锥状断口 钢与合金 纯金属断口韧性断裂主要表现为穿晶断裂,5.2 裂缝的生成和发展一理论断裂强度概念：理想晶体在正应力作用下沿某一原子 面被拉断时的断裂强度 主要取决于原子间 结合
3、力对断裂的抗力,Xac时，随外力(X)，结合力Xac时，随外力(X)，结合力 0 最后导致断裂Xac时，原子间结合力最大 m,X,ac,原子间作用力与原子间距(X)的关系,m,当外力 P 使得 m时，导致晶体断裂称m为理论断裂强度m 的估算公式：m=(E/a)1/2 E 弹性模量 单位面积的表面能 a 原子面间距一般金属材料：m 2000 kg/mm2 与实际情况不附,二Griffith理论1理论的引出假设：在实际晶体中存在各种缺陷(微裂口)，在外力作用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均应力未达到m时，缺陷处的应力集中已超过m，使裂口得以逐步发展，结果导致实际断裂强度大为下降。Griffi
4、th认为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值c当 c时，裂口不能扩大当 c时，裂口迅速扩大，导致断裂,Griffith公式(临界应力公式)设有一块薄板，厚度=1个单位，内有一椭圆形裂口，小裂口长度为 2c 薄板受均匀的拉应力作用 e 裂口扩展所需的能 e=e1+e2 e1 裂口扩展所降低的弹性能 e2 裂口扩展所增加的表面能,e1=单位体积弹性能裂口总体积裂口所松驰的弹性能可近似看作形成直径为 2c 的无应力区域所释放的能量粗略估计值：e1 1/2c2=c22/2E更精确计算出的值为粗略估计值的二倍，即：e1=c22/Ee2=单位面积表面能裂口总面积=4c e=4c c22/E,讨论cck
5、c、ecck c、eck：裂口扩展临界长度 裂口传播的条件,裂口的长度对应于能量 e=e1+e2 的极大值，裂口就可自发的扩展emax de/dc=0 422c/E=0,裂口传播的临界拉应力为：c=(2E/c)1/2(E/c)1/2 Griffith公式 c 时，裂口才能扩展 c、c 裂口长度越大，所需临界应力越小Griffith理论较适合于非晶体和脆性材料,该理论的不完善性：未能反映塑性变形在 断裂中的作用Griffith-Orowan修正公式：c=E(+p)/c1/2(Ep/c)1/2 p：裂缝扩展时单位面积所需的塑性功 p，可忽略不计,三裂口形核机理基本思想：位错理论在外力作用下，刃型位
6、错的合并可构成裂口的胚芽,几种具体机理：1位错塞积机理 位错沿某一滑移面移动受阻，在障碍物前塞积，产生极大的应力集中，形成裂口,2位错反应机理 二位错发生反应生成不易移动的新位错，使位错塞积，产生大的应力集中，形成裂口,3位错消毁机理 在两个滑移面间距 h 10个原子层的滑移面 上，有着不同号的刃型位错，在切应力作用下，它们相遇、相消，产生孔穴，剩余的同号刃型 位错进入穴中，造成严重的应力集中，形成裂口,4位错墙侧移机理 由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯 折，形成裂口,结论：刃型位错合并、堆积应力集中断裂源达到c条件裂口扩展脆断,5.3 韧性断裂的裂口形成与发展一韧性断裂的形成过程,均匀拉
7、伸 产生细颈 在三向拉应力 微孔合并长大 作用下产生微孔 形成小裂口,裂口沿垂直于拉伸方向扩展，接近表面,沿max 方向断裂形成杯锥状,二微孔的形成研究表明，微孔主要在析出物、夹杂物等第二相粒子的地方形成,产生微孔的机理1杂质与基体界面发生剥离 这是由变形不协调产生的杂质引起应力集中现象，产生微孔,2杂质本身的破碎3因位错塞积，造成应力集中，形成微裂纹三裂口的发展与修复裂口的发展过程：亚显微破坏(形成微孔)显微破坏(形成小裂口)宏观破坏(裂口发展)断裂裂口的修复过程：已形成的破坏在变形过程中得 以修复,影响裂口发展与修复的因素1变形温度 温度升高，有利于修复2应力状态 应力集中、拉应力 裂口发
8、展，不利修复 压应力 破坏表面贴合，原子间联系力恢复3表面状态 裂口表面干净、无污染，没有外来原子的吸附，易 愈合,5.4 影响断裂类型的因素一变形温度f 正断抗力s 塑性变形抗力 当温度ttk 时，fs，材料先达到s，产生大量的塑性变形，导致裂口成核。但此时裂口还不能扩展，只有当应力达到f 时才造成断裂 韧性断裂,当温度ttk 时，fs，材料先达到f，但此时并不发生断裂，因为此时材料中并无裂口。只有当应力达到s 时，裂口才成核，并随即迅速扩展而导致断裂，没有明显的塑性变形 脆性断裂tk 脆性转化温度,二变形速度 变形速度，材料趋向于 脆性断裂 k:临界变形速度 k fs 脆性断裂 k fs
9、韧性断裂,三应力状态 用 软性系数=max/max 表示 推动位错移动，决定位错堆积的数目，对塑性变形和断裂的发生和发展过程都 有影响 只影响断裂的发展过程，拉应力促使裂 缝的发展。因此，软性系数值越大越易发生韧性断裂,采用如下公式计算max和max max=(13)/2 max=1(23)取=0.25,得到：三向等拉伸=0 单向拉伸=0.5 扭转=0.8 单向压缩=2 三向不等压缩=压应力 韧断一般 0.5 软应力状态 韧性断裂 0.5 硬应力状态 脆性断裂,5.5 塑性加工中金属的断裂一镦粗时的侧面开裂,1产生原因区鼓形处受有环向拉应力作用T/过高，晶界强度减弱，易沿晶 界拉裂,裂口环，如
10、图(a)T/较低，穿晶切断，沿max 断裂 裂口与环成45角，如图(b),2防止措施环不均匀变形，鼓形 f 提高表面光洁度，采用润 滑剂,加软垫 压缩开始，软垫先变形，拖着工件端面一起向外流动，使工件侧面成凹形，随后，软垫产生了加工硬化，工件开始显著变形，凹平凸，鼓形，环,活动套环或包套镦粗 套环一般由普通钢制成，加热温度比坯料低，变形抗力大，对坯料的流动起限制作用，增加三向压应力。,二锻压延伸时的内部裂纹平锤头锻压方坯时产生X形内裂 产生原因 a)锻压时，对角线方向金属流动发生错动 每翻转90，金属错动方向改变,b)铸造组织 钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方，为薄弱环节 有柱状晶更易开
11、裂c)对角线方向最大热效应大，温升高，对角线处易过烧，导致开裂 若中心薄弱，裂纹如图c上 若角部薄弱，裂纹如图c下,预防措施a)减小送进量l 工件与工具的接触长度 一般 l=(0.60.8)hb)减小柱状晶c)减小压下量h,1,1,2平锤头锻压圆锭时产生的内裂产生原因 锻压圆锭时，相当于压缩厚件。假若没有外 端，则可自由地形成双鼓形，但由于外端的 拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力。,当翻转90锻成方坯时，裂纹如图(d)，十字形当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射状,防止措施 采用槽形或弧形锤头，增加侧压，使附加 拉应力,用图(a)的各种锤头锻压圆坯时，都有或多或少的在坯料中心处出现裂纹；而
12、用图(b)所示的两种锤头压缩时，总变形量达40%都还未出现任何裂纹。,可见，最好采用如下两种锤头:顶角不超过110的槽形锤头Rr、包角为100110的弧形锤头R 弧形的曲率半径r 圆坯半径 1,三锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹1产生原因当 l/h0.5时，在断面中心产生纵向拉应力。,2防止措施 h 变形渗透性，附加拉应力 送进量 l 如下图(b)l=(0.60.8)h 增加轧辊直径 D 有利于内部缺陷的焊合,四锻压延伸及轧制时产生的角裂,1产生原因未及时倒棱，角部温降大，产生拉伸热应力角部变形抗力大，延伸小，产生附加拉应力2防止措施及时倒棱 加热时防止角部过热或过烧 适当轻打,五锻压延伸及轧制
13、时产生的端裂（劈头）,产生原因锤击过重时，端面鼓形严重，区质点向外鼓胀，使区外表面受拉力Q作用，在此拉力的作用下，使轧件端面开裂。,2防止措施正常锻压前先锻头部，改善端部的塑性避免轧件表面温度降低过大,六轧板时的边裂和薄件的中部裂,产生原因 凸辊轧制：边部受纵向附加拉应力，出现边裂 凹辊轧制：中部受纵向附加拉应力，出现中部裂口 防止措施 限制边部自由宽展，防止边裂 采用合适的辊型和坯料断面形状,七拉拔时的内裂 产生原因 当 l/d0 较小时，只产生表面变形，中心部位受附加拉应力 防止措施 增加 l/d0 减小模孔锥角 增加，使变形深入到棒材的轴心区,八挤压时的竹节状裂纹 产生原因 挤压时，挤压缸与模孔的摩擦作用，表面变形,小，产生附加拉应力防止措施 加润滑，减小 f，减轻金 属流动的不均匀性 保持挤压件的表面温度,总结断裂类型断裂的发生和发展过程 影响因素压加中断裂的主要形式及防止措施 不均匀变形 产生附(+)开裂,思考题1.写出Griffith 公式(临界应力公式).它有何意义?它是如何推导出来的?2.裂口形核的基本思想是什么?它有哪些具体的 机理?3.以拉伸为例讨论杯锥断裂的形成过程.4.什么叫软性系数?它与材料的韧脆性有何关系?5.请分析压力加工中的各种断裂(原因?措施?).,
