第17讲断裂影响因素及现象分析课件

2024/7/61 金属的断裂主要内容Main Content断裂的基本类型及物理本质影响断裂类型的因素塑性加工中的断裂现象分析2023/8/131 金属的断裂主要内容2024/7/62影响断裂类型的因素影响断裂类型的因素塑性与脆性（材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质）并非金属固定不变的特性，象金属钨，虽在室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑性。在拉伸时为脆性的金属，在高静水压下却呈现塑性。在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、低温、高变形速度时却可能变得很脆。所以，金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。因此，对塑性加工来说，很有必要了解塑性脆性转变条件，尽可能防止脆性，向有利于塑性提高方面转化。2023/8/132影响断裂类型的因素塑性与脆性（材料在外力2024/7/63影响塑性脆性转变的主要因素影响塑性脆性转变的主要因素变形温度变形温度变形速度变形速度应力状态应力状态组织结构组织结构 2023/8/133影响塑性脆性转变的主要因素变形温度2024/7/64变形温度变形温度大大多多数数金金属属材材料料的的变变形形中中有有一一个个重重要要的的现现象象：随随着着变变形形温温度度的的改改变变都都有有一一个个从从韧韧性性断断裂裂到到脆脆性性断断裂裂的的转转变变温温度度，称称此此温温度度为为脆脆性性转转变变温温度度，常常以以Tc来来表表示示。在在此此温温度度以以上上是是韧韧性性断断裂裂，在在此此温温度度以以下下是是脆脆性断裂。性断裂。对对一一定定材材料料来来说说，脆脆性性转转变变温温度度越越高高，表表征征该该材材料料脆性趋势愈大。脆性趋势愈大。2023/8/134变形温度2024/7/65如如果果变变形形温温度度不不变变，改改变变其其他他参参数数，如如晶晶粒粒度度，变变形形速速度度，应力状态等，同样也会出现塑性脆性转变现象。应力状态等，同样也会出现塑性脆性转变现象。对对这这种种现现象象的的解解释释，可可以以认认为为断断裂裂应应力力s sf对对温温度度不不够够敏敏感感，热热激激活活对对脆脆性性裂裂纹纹的的传传播播不不起起多多大大作作用用，但但屈屈服服强强度度s ss却却随随温温度度变变化化很很大大，温温度度越越低低，s ss越越高高。将将s ss与与s sf对对温温度度作作图图，则则两两条条曲曲线线的的交交点点所所对对应应的的温温度度就就是是Tc。当当T Tc时时，s sf s ss，此此时时材材料料要要经经过过一一段段塑塑性性变变形形后后才才能能断断裂裂，故故表表现现为为韧韧性性断断裂裂；在在T Tc 时时，s sf s ss，此此时时材材料料未未来来得得及及塑塑性性变变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。2023/8/135如果变形温度不变，改变其他参数，如晶粒度2024/7/66s sf 和和 s ss与温度的关系与温度的关系2023/8/136sf 和 ss与温度的关系2024/7/67变形速度变形速度变变形形速速度度的的影影响响与与变变形形温温度度类类同同，由由于于变变形形速速度度的的提提高高，塑塑性性变变形形来来不不及及进进行行而而使使s ss增增高高，但但变变形形速速度度对对断断裂裂抗抗力力s sf影影响响不不大大。所所以以在在一一定定的的条条件件下下，就就可可以以得得到到一一个个临临介介变变形形速速度度e ec，高高于于此此值值便便产产生生脆脆性性断断裂裂。变变形形速速度度的的提提高高相相当当于于变变形形温温度度降降低低的的效果。效果。2023/8/137变形速度2024/7/68应力状态应力状态应应力力状状态态对对塑塑性性脆脆性性转转变变的的影影响响，可可采采用用不不同同深深度度缺缺口口的的拉拉伸伸试试样样来来进进行行。缺缺口口越越深深越越尖尖锐锐三三向向拉拉应应力力状状态态越越强强。试试验验表表明明，拉拉应应力力状状态态越越强强，材材料料的脆性转变温度越高，脆性趋势越大。的脆性转变温度越高，脆性趋势越大。2023/8/138应力状态2024/7/69切切口口的的试试样样比比无无缺缺口口试试样样的的脆脆性性转转变变温温度度有有明明显显提提高高。冲冲击击弯弯曲曲由由于于变变形形速速度度极极快快引引起起s ss提提高高，所所以以与与静静弯弯曲曲相相比比脆脆性性转转变变温温度度也也明明显显提提高。高。由由此此可可见见，金金属属材材料料变变形形时时的的拉拉应应力力状状态态越越强强，变形速度越高，材料的脆化倾向越大。变形速度越高，材料的脆化倾向越大。2023/8/139切口的试样比无缺口试样的脆性转变温度有明2024/7/610金属材料的化学成份和组织状态金属材料的化学成份和组织状态不不同同含含碳碳量量对对钢钢的的冲冲击击韧韧性性的的影影响响。随随着着含含碳碳量量的的增增加加，冲冲击击韧韧性性明明显显降降低低，而而且且脆脆性性转转变变温温度度上上升升，所所以以为为避避免免低低温温脆脆性性多多选选用用含含碳碳量量低低于于0.2以以下下的钢。的钢。2023/8/1310金属材料的化学成份和组织状态2024/7/611添添加加Mn或或Ni可可以以有有效效地地降降低低转转变变温温度度。因因为为两两者者都都能能使使晶晶粒粒细细化化，此此外外Mn还还能能抑抑制制碳碳化化物物沿沿晶晶界界析析出出；Ni能能促促使使位位错错产产生生交交滑滑移移避避免免应应力力集集中中，这些都有助于转变温度的降低。这些都有助于转变温度的降低。2023/8/1311添加Mn或Ni可以有效地降低转变温度。2024/7/612钢钢材材经经淬淬火火后后高高温温调调质质处处理理得得到到索索氏氏体体组组织织，这这对对降降低低脆脆性性转转变变温温度度是是极极为有效的。为有效的。图图中中表表明明调调质质钢钢与与正正火火钢钢和和热热轧轧钢钢相相比比，脆脆性性转转变变温温度度明显降低。明显降低。2023/8/1312钢材经淬火后高温调质处理得到索氏体组织2024/7/613塑性加工中的断裂现象分析塑性加工中的断裂现象分析塑塑性性加加工工中中的的断断裂裂除除因因铸铸锭锭质质量量差差（如如铸铸造造时时产产生生的的疏疏松松、裂裂纹纹、偏偏析析和和粗粗大大晶晶粒粒等等）和和加加热热质质量量不不良良所所造造成成过过热热、过过烧烧的的原原因因外外，绝绝大大多多数数的的断断裂裂是是属于不均匀变形所造成的。属于不均匀变形所造成的。在在生生产产中中因因工工艺艺条条件件和和操操作作上上的的不不合合理理，会会发发生生各各种种断断裂裂。因因此此，应应结结合合具具体体金金属属的的塑塑性性加加工工工工艺艺过过程程和和断断裂裂现现象象，分分析析其其断断裂裂原原因因，进进而而找找出出防防止止断断裂的措施。裂的措施。2023/8/1313塑性加工中的断裂现象分析塑性加工中的断2024/7/614锻造时的断裂锻造时的断裂轧制时的断裂轧制时的断裂挤压拉拔时的断裂挤压拉拔时的断裂2023/8/1314锻造时的断裂2024/7/615锻造时的表面开裂锻造时的表面开裂现象现象2023/8/1315锻造时的表面开裂2024/7/616墩粗2023/8/1316墩粗2024/7/617产生原因产生原因自自由由镦镦粗粗塑塑性性较较低低的的金金属属饼饼材材时时，由由于于锤锤头头端端面面对对镦镦粗粗件件表表面面摩摩擦擦力力的的影影响响，形形成成单单鼓鼓形形，使使其其侧侧面面周向承受拉应力。周向承受拉应力。当当锻锻造造温温度度过过高高时时，由由于于晶晶间间结结合合力力大大大大减减弱弱，常常出出现现晶晶间间断断裂裂，且且裂裂纹纹方方向向与与周周向向拉拉应应力力垂垂直直(图图a)。当当锻锻造造温温度度较较低低时时，晶晶间间强强度度常常高高于于晶晶内内强强度度，便便出出现现穿穿晶晶断断裂裂。由由于于剪剪应应力力引引起起的的其其裂裂纹纹方方向向常常与与最大主应力成最大主应力成45角角(图图b)。2023/8/1317产生原因2024/7/618防止或减轻措施 (1)减少工件与工具间的接触摩擦，提高接触表面的光洁度，采用适当高效能的润滑剂；(2)采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压缩，使周向拉应力减少。(3)采用软垫 (4)采用活动套环和包套镦粗（铝筒）2023/8/1318防止或减轻措施2024/7/619用活动套环用活动套环(a)和和包套包套(b)镦粗镦粗加软垫的镦粗情况加软垫的镦粗情况2023/8/1319用活动套环(a)和包套(b)镦粗加软垫2024/7/620包套镦粗包套镦粗 1 22023/8/1320包套镦粗 1 22024/7/621锻造时的内部裂纹锻造时的内部裂纹现象现象2023/8/1321锻造时的内部裂纹2024/7/622轧制时的断裂轧制时的断裂轧板时的表面开裂轧板时的表面开裂现象现象2023/8/1322轧制时的断裂轧板时的表面开裂2024/7/623凹形轧辊轧制平板时的裂纹凹形轧辊轧制平板时的裂纹2023/8/1323凹形轧辊轧制平板时的裂纹2024/7/624为为避避免免上上述述断断裂裂现现象象的的发发生生，首首先先是是要要有有适适宜宜的的良良好好辊辊型型和和坯坯料料尺尺寸寸形形状状。其其次次是是制制定定合合理理的的轧轧制制工工艺艺规规程程(压压下下量量控控制制、张张力力调调整整、润滑适宜等等润滑适宜等等)。2023/8/1324为避免上述断裂现象的发生，首先是要有适2024/7/625挤压拉拔时的断裂挤压拉拔时的断裂表面裂纹表面裂纹现象现象2023/8/1325挤压拉拔时的断裂表面裂纹2024/7/626拉拔时金属表面的裂纹拉拔时金属表面的裂纹2023/8/1326拉拔时金属表面的裂纹2024/7/627无无论论挤挤压压与与拉拉拔拔，减减少少摩摩擦擦阻阻力力，会会使使金金属属流流动动不不均匀性减轻，从而可以防止裂纹的产生。均匀性减轻，从而可以防止裂纹的产生。防防止止裂裂纹纹的的有有效效方方法法是是加加强强润润滑滑，例例如如铝铝合合金金热热挤挤压压采采用用油油石石墨墨润润滑滑剂剂，钢钢热热挤挤时时采采用用玻玻璃璃作作润润滑滑剂剂。因因为为影影响响摩摩擦擦力力的的因因素素除除了了摩摩擦擦系系数数以以外外，还还有有垂垂直直压压力力和和接接触触面面积积的的影影响响；对对挤挤压压和和拉拉拔拔来来说说还还可可以以采采用用反反向向挤挤压压、反反张张力力拉拉拔拔，辊辊式式模模拉拉伸伸等等方法来减少有害摩擦，防止断裂现象的发生。方法来减少有害摩擦，防止断裂现象的发生。2023/8/1327无论挤压与拉拔，减少摩擦阻力，会使金属2024/7/628内部裂纹内部裂纹现象现象当长度和半径比较小时，心部比较难变形，变形只在表面产生。导致心部金属受到附加拉应力加上原先基本拉应力使得内部应力过大，破裂。2023/8/1328内部裂纹当长度和半径比较小时，心部比较2024/7/629为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂现象发为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂现象发生，对挤压来说就是增大挤压比；对拉拔来说，就生，对挤压来说就是增大挤压比；对拉拔来说，就是增加是增加l/d。2023/8/1329为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂