材料力学金属的断裂(课件).ppt

５．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：① 裂口生成、发展均很快 断裂前没有明显的塑性变形，ε＜5% ②断口平整（破断面和拉应力接近于 正交）有金属光泽 断口⊥σmax 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：① 裂口生成、发展均很慢 断裂前能产生显著的塑性变形 ② 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∥τmax 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 结合力对断裂的抗力,,X＜ac时，随外力↑(X↑)，结合力↑ X＞ac时，随外力↑(X↑)，结合力↓→ 0 最后导致断裂 X＝ac时，原子间结合力最大 σm,,,,X,ac,,原子间作用力与原子间距(X)的关系,,σm,当外力 P 使得 σ＞σm时，导致晶体断裂 称σm为理论断裂强度 σm 的估算公式： σm= (E·γ/a)1/2 E—— 弹性模量 γ—— 单位面积的表面能 a—— 原子面间距 一般金属材料：σm≈ 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σm时，缺陷处的应力集中已超过σm，使裂口得以逐 步发展，结果导致实际断裂强度大为下降。 Griffith认为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值σc 当σ＜ σc时，裂口不能扩大 当σ＞ σc时，裂口迅速扩大，导致断裂,２．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σ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 ≈ －1/2σ·ε×πc2 = －πc2σ2/2E 更精确计算出的值为粗略估计值的二倍，即： e1 = －πc2σ2/E e2 = 单位面积表面能×裂口总面积 = 4cγ e = 4cγ －πc2σ2/E 1,讨论 c＜ck c↑、e↑ c＞ck c↑、e↓ ck：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 4γ－2πσ2c/E=0,,裂口传播的临界拉应力为： σc= (2Eγ/πc)1/2 ≈ (Eγ/c)1/2 Griffith公式 σ＞ σc 时，裂口才能扩展 c↑、 σc ↓ 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： σc= {E(γ+ γ p)/c}1/2 ≈ (Eγp/c)1/2 γ p ：裂缝扩展时单位面积所需的塑性功 γ＜＜γ p ， γ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σc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τmax 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 σf —— 正断抗力 σs —— 塑性变形抗力 当温度t＞tk 时，σf＞σs ，材料 先达到σs，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σf 时才造 成断裂 ——韧性断裂,当温度t＜tk 时，σf＜σs ，材 料先达到σf，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σs 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 σf＜σs —— 脆性断裂 ＜ k σf＞σs —— 韧性断裂,,三．应力状态 用 软性系数 α= τmax/σmax 表示 τ—— 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 σ—— 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τmax和σmax τmax = (σ1－σ3)/2 σmax = σ1－υ(σ2＋σ3) 取 υ= 0.25,得到：三向等拉伸 α=0 单向拉伸 α=0.5 扭转 α=0.8 单向压缩 α=2 三向不等压缩α= ∞ 压应力↑ α↑—— 韧断 一般 α＞0.5 软应力状态 韧性断裂 α＜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 Ⅲ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⊥σ环 ，如图(a) T℃较低，穿晶切断，沿τmax 断裂 裂口与σ环成45°角，如图(b),2．防止措施 σ环↓——不均匀变形↓，鼓形↓ ① f↓ 提高表面光洁度，采用润 滑剂,② 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↓， σ环 ↓,③ 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 １．平锤头锻压方坯时产生X形内裂 ① 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 有柱状晶更易开裂 1 c)对角线方向ε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,,② 预防措施 a)减小送进量l 工件与工具的接触长度 一般 l=(0.6～0.8)h b)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 ①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,② 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 R≤r、包角为100°～110°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/h＜0.5时，在断面中心产生纵向拉应力。,,2．防止措施 ① △h↑ 变形渗透性↑，附加拉应力↓ ② 送进量 l↑ 如下图(b) l =(0.6~0.8)h ③ 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 ①及时倒棱 ② 加热时防止角部过热或过烧 ③ 适当轻打,五．锻压延伸及轧制时产生的端裂（劈头）,１．产生原因 锤击过重时，端面鼓形严重，Ⅱ区质点向 外鼓胀，使Ⅲ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,１．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 ２．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 １．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 ２．防止措施 增加 l/d0 减小模孔锥角 α 增加 ε，使变形深入到棒材的轴心区,八．挤压时的竹节状裂纹 １．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 ２．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 １．断裂类型 ２．断裂的发生和发展过程 影响因素 ３．压加中断裂的主要形式及防止措施 不均匀变形 → 产生σ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?).,