《金属的断裂》ppt课件

1、 金属的断裂金属的断裂 本章重点：本章重点：*研讨金属在塑性变形时裂纹发生和研讨金属在塑性变形时裂纹发生和 开展的规律性开展的规律性 *变形条件对金属断裂的影响变形条件对金属断裂的影响 *塑性加工中金属的断裂塑性加工中金属的断裂 5.1 断裂的根本类型断裂的根本类型 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂 1脆性断裂脆性断裂 在正应力作用下，物体极快地在正应力作用下，物体极快地 沿解理面发生沿解理面发生 断裂断裂 解理面普通指晶面指数较低的面解理面普通指晶面指数较低的面 脆性解理断裂的裂纹传播速度可脆性解理断裂的裂纹传播速度可 达达 1030 m/s 特点：特点： 裂口生成、开展均很快裂口生

2、成、开展均很快 断裂前没有明显的塑性变形，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断口平整破断面和拉应力接近于 正交有金属光泽正交有金属光泽 断口断口max 断口沿解理面断口沿解理面 在电镜下可看到解理亮面在电镜下可看到解理亮面 二种情况：二种情况：沿解理面的穿晶断裂沿解理面的穿晶断裂 河流状、舌状花纹河流状、舌状花纹沿晶界的晶延续裂沿晶界的晶延续裂 冰糖状、颗粒状冰糖状、颗粒状穿晶断裂穿晶断裂 断裂时裂纹开展穿过晶粒内部断裂时裂纹开展穿过晶粒内部(韧断韧断)晶延续裂晶延续裂 断裂时裂纹开展沿着晶界断裂时裂纹开展沿着晶界 (脆断脆断)2韧性断裂韧性断裂在切应力作用下，先产生

3、一定量的在切应力作用下，先产生一定量的塑性变形，然后断裂。塑性变形，然后断裂。特点：特点： 裂口生成、开展均很慢裂口生成、开展均很慢 断裂前能产生显著的塑性变形断裂前能产生显著的塑性变形 断口粗糙、无光泽，呈暗断口粗糙、无光泽，呈暗 灰色纤维状灰色纤维状 电子显微镜下可看到韧窝、撕裂岭电子显微镜下可看到韧窝、撕裂岭韧性断裂的断口详细表现方式有：韧性断裂的断口详细表现方式有：低塑性资料：切变断裂低塑性资料：切变断裂 断口断口max 断裂面即是滑移面断裂面即是滑移面 如：密排六方的金属单晶如：密排六方的金属单晶高塑性资料：拉缩成一点断开高塑性资料：拉缩成一点断开 如：如：Au、Pb、Fe等单晶体等

4、单晶体普通塑性资料：断口呈杯锥状普通塑性资料：断口呈杯锥状 杯锥状断口杯锥状断口 双杯锥状断口双杯锥状断口 钢与合金钢与合金 纯金属断口纯金属断口韧性断裂主要表现为穿晶断裂韧性断裂主要表现为穿晶断裂5.2 裂痕的生成和开展裂痕的生成和开展一理结论裂强度一理结论裂强度概念：理想晶体在正应力作用下沿某一原子概念：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面被拉断时的断裂强度 主要取决于原子间主要取决于原子间 结合力对断裂的抗力结合力对断裂的抗力Xac时，随外力时，随外力(X)，结合力，结合力Xac时，随外力时，随外力(X)，结合力，结合力 0 最后导致断裂最后导致断裂Xac时，原子间结

5、合力最大时，原子间结合力最大 mXac原子间作用力与原子间距原子间作用力与原子间距(X)的关系的关系m当外力当外力 P 使得使得 m时，导致晶体断裂时，导致晶体断裂称称m为理结论裂强度为理结论裂强度m 的估算公式：的估算公式：m= (E/a)1/2 E 弹性模量弹性模量 单位面积的外表能单位面积的外表能 a 原子面间距原子面间距普通金属资料：普通金属资料：m 2000 kg/mm2 与实践情况不附与实践情况不附二二Griffith实际实际1实际的引出实际的引出假设：在实践晶体中存在各种缺陷假设：在实践晶体中存在各种缺陷(微裂口微裂口)，在外力作，在外力作用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均

6、应力未达用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均应力未达到到m时，缺陷处的应力集中已超越时，缺陷处的应力集中已超越m，使裂口得以逐，使裂口得以逐步开展，结果导致实践断裂强度大为下降。步开展，结果导致实践断裂强度大为下降。Griffith以为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力以为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值值c当当 c时，裂口不能扩展时，裂口不能扩展当当 c时，裂口迅速扩展，导致断裂时，裂口迅速扩展，导致断裂 Griffith公式公式 (临界应力公式临界应力公式)设有一块薄板，厚度设有一块薄板，厚度=1个单位，内有个单位，内有一椭圆形裂口，小裂口长度为一椭圆形裂口，小裂口长度为 2c

7、 薄板受均匀的拉应力薄板受均匀的拉应力作用作用 e 裂口扩展所需的能裂口扩展所需的能 e = e1+ e2 e1 裂口扩展所降低的弹性能裂口扩展所降低的弹性能 e2 裂口扩展所添加的外表能裂口扩展所添加的外表能e1=单位体积弹性能单位体积弹性能裂口总体积裂口总体积裂口所松驰的弹性能可近似看作构成直径为裂口所松驰的弹性能可近似看作构成直径为 2c 的无应的无应力区域所释放的能量力区域所释放的能量粗略估计值：粗略估计值：e1 1/2c2 = c22/2E更准确计算出的值为粗略估计值的二倍，即：更准确计算出的值为粗略估计值的二倍，即： e1 = c22/Ee2 = 单位面积外表能单位面积外表能裂口总

8、面积裂口总面积 = 4c e = 4c c22/E讨论讨论cck c、ecck c、eck：裂口扩展临界长度：裂口扩展临界长度 裂口传播的条件裂口传播的条件裂口的长度对应于能量裂口的长度对应于能量 e = e1+ e2 的极大值，裂的极大值，裂口口就可自发的扩展就可自发的扩展emax de/dc=0 422c/E=0裂口传播的临界拉应力为：裂口传播的临界拉应力为：c= (2E/c)1/2 (E/c)1/2 Griffith公式公式 c 时，裂口才干扩展时，裂口才干扩展 c、 c 裂口长度越大，所需临界应力越小裂口长度越大，所需临界应力越小Griffith实际较适宜于非晶体和脆性资料实际较适宜于

9、非晶体和脆性资料该实际的不完善性：未能反映塑性变形在该实际的不完善性：未能反映塑性变形在 断裂中的作用断裂中的作用Griffith-Orowan修正公式：修正公式：c= E(+ p)/c1/2 (Ep/c)1/2 p ：裂痕扩展时单位面积所需的塑性功：裂痕扩展时单位面积所需的塑性功 p ， 可忽略不计可忽略不计三裂口形核机理三裂口形核机理根本思想：位错实际根本思想：位错实际在外力作用下，刃型位错的合并可构成裂口的在外力作用下，刃型位错的合并可构成裂口的胚芽胚芽几种详细机理：几种详细机理：1位错塞积机理位错塞积机理 位错沿某一滑移面挪动受阻，在妨碍物前塞位错沿某一滑移面挪动受阻，在妨碍物前塞积，

10、产生极大的应力集中，构成裂口积，产生极大的应力集中，构成裂口2位错反响机理位错反响机理 二位错发生反响生成不易挪动的新位错，二位错发生反响生成不易挪动的新位错，使位错塞积，产生大的应力集中，构成裂口使位错塞积，产生大的应力集中，构成裂口 3位错消毁机理位错消毁机理 在两个滑移面间距在两个滑移面间距 h 10个原子层的滑移面个原子层的滑移面 上，有着不同号的刃型位错，在切应力作用下，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，剩余的同号刃型它们相遇、相消，产生孔穴，剩余的同号刃型 位错进入穴中，呵斥严重的应力集中，构成裂口位错进入穴中，呵斥严重的应力集中，构成裂口4位错

11、墙侧移机理位错墙侧移机理 由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯 折，构成裂口折，构成裂口结论：结论：刃型位错合并、堆积刃型位错合并、堆积应力应力集中集中断裂源断裂源到达到达c条件条件裂口扩展裂口扩展脆断脆断5.3 韧性断裂的裂口构成与开展韧性断裂的裂口构成与开展一韧性断裂的构成过程一韧性断裂的构成过程均匀拉伸均匀拉伸 产生细颈产生细颈 在三向拉应力在三向拉应力 微孔合并长大微孔合并长大 作用下产生微孔作用下产生微孔 构成小裂口构成小裂口裂口沿垂直于拉裂口沿垂直于拉伸方向扩展，接伸方向扩展，接近外表近外表沿沿max 方向断裂方向断裂构成杯锥状构成杯锥状二微孔的

12、构成二微孔的构成研讨阐明，微孔主要在析出物、夹杂物等第二相研讨阐明，微孔主要在析出物、夹杂物等第二相粒子的地方构成粒子的地方构成产生微孔的机理产生微孔的机理1杂质与基体界面发生剥离杂质与基体界面发生剥离 这是由变形不协调产生的这是由变形不协调产生的杂质引起应力集中景象，产生杂质引起应力集中景象，产生微孔微孔 2杂质本身的破碎杂质本身的破碎3因位错塞积，呵斥应力集中，构成微裂纹因位错塞积，呵斥应力集中，构成微裂纹三裂口的开展与修复三裂口的开展与修复裂口的开展过程：亚显微破坏裂口的开展过程：亚显微破坏(构成微孔构成微孔)显微显微破坏破坏(构成小裂口构成小裂口)宏观破坏宏观破坏(裂口开展裂口开展)断

13、裂断裂裂口的修复过程：已构成的破坏在变形过程中得裂口的修复过程：已构成的破坏在变形过程中得 以修复以修复影响裂口开展与修复的要素影响裂口开展与修复的要素1变形温度变形温度 温度升高，有利于修复温度升高，有利于修复2应力形状应力形状 应力集中应力集中、拉应力、拉应力 裂口开展，不利修复裂口开展，不利修复 压应力压应力 破坏外表贴合，原子间联络力恢复破坏外表贴合，原子间联络力恢复3外表形状外表形状 裂口外表干净、无污染，没有外来原子的吸附，易裂口外表干净、无污染，没有外来原子的吸附，易 愈合愈合5.4 影响断裂类型的要素影响断裂类型的要素一变形温度一变形温度f 正断抗力正断抗力s 塑性变形抗力塑性

14、变形抗力 当温度当温度ttk 时，时，fs ，资料，资料先到达先到达s，产生大量的塑性变形，产生大量的塑性变形，导致裂口成核。但此时裂口还不能导致裂口成核。但此时裂口还不能扩展，只需当应力到达扩展，只需当应力到达f 时才造时才造成断裂成断裂 韧性断裂韧性断裂当温度当温度ttk 时，时，fs ，材，材料先到达料先到达f，但此时并不发，但此时并不发生断裂，由于此时资料中并生断裂，由于此时资料中并无裂口。只需当应力到达无裂口。只需当应力到达s 时，裂口才成核，并随即迅时，裂口才成核，并随即迅速扩展而导致断裂，没有明速扩展而导致断裂，没有明显的塑性变形显的塑性变形 脆性断裂脆性断裂tk 脆性转化温度脆

15、性转化温度二变形速度二变形速度 变形速度变形速度，资料趋向于，资料趋向于 脆性断裂脆性断裂 k : 临界变形速度临界变形速度 k fs 脆性断裂脆性断裂 k fs 韧性断裂韧性断裂三应力形状三应力形状 用用 软性系数软性系数 = max/max 表示表示 推进位错挪动，决议位错堆积的数目，推进位错挪动，决议位错堆积的数目， 对塑性变形和断裂的发生和开展过程都对塑性变形和断裂的发生和开展过程都 有影响有影响 只影响断裂的开展过程，拉应力促使裂只影响断裂的开展过程，拉应力促使裂 缝的开展。缝的开展。 因此，软性系数值越大越易发生韧性断裂因此，软性系数值越大越易发生韧性断裂采用如下公式计算采用如下公

16、式计算max和和max max = (13)/2 max = 1(23) 取取 = 0.25得到：三向等拉伸得到：三向等拉伸 =0 单向拉伸单向拉伸 =0.5 改动改动 =0.8 单向紧缩单向紧缩 =2 三向不等紧缩三向不等紧缩= 压应力压应力 韧断韧断普通普通 0.5 软应力形状软应力形状 韧性断裂韧性断裂 0.5 硬应力形状硬应力形状 脆性断裂脆性断裂 5.5 塑性加工中金属的断裂塑性加工中金属的断裂一镦粗时的侧面开裂一镦粗时的侧面开裂1产生缘由产生缘由区鼓形处受有环向拉应力作用区鼓形处受有环向拉应力作用T/过高，晶界强度减弱，易沿晶过高，晶界强度减弱，易沿晶 界拉裂界拉裂, 裂口裂口环环

17、 ，如图，如图(a)T/较低，穿晶切断，沿较低，穿晶切断，沿max 断裂断裂 裂口与裂口与环成环成45角，如图角，如图(b)2防止措施防止措施环环不均匀变形不均匀变形，鼓形，鼓形 f 提高外表光洁度，采用润提高外表光洁度，采用润 滑剂滑剂 加软垫加软垫 紧缩开场，软垫先变形，拖着工件端面一同向紧缩开场，软垫先变形，拖着工件端面一同向外流动，使工件侧面成凹形，随后，软垫产生了外流动，使工件侧面成凹形，随后，软垫产生了加工硬化，工件开场显著变形，凹加工硬化，工件开场显著变形，凹平平凸凸 ，鼓形鼓形， 环环 活动套环或包套镦粗活动套环或包套镦粗 套环普通由普通钢制成，加热温度比坯料套环普通由普通钢制

18、成，加热温度比坯料低，变形抗力大，对坯料的流动起限制造用，低，变形抗力大，对坯料的流动起限制造用，添加三向压应力。添加三向压应力。二锻压延伸时的内部裂纹二锻压延伸时的内部裂纹平锤头锻压方坯时产生平锤头锻压方坯时产生X形内裂形内裂 产生缘由产生缘由 a) 锻压时，对角线方向金属流动发生错动锻压时，对角线方向金属流动发生错动 每翻转每翻转90，金属错动方向改动，金属错动方向改动b)铸造组织铸造组织 钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方，钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方， 为薄弱环节为薄弱环节 有柱状晶更易开裂有柱状晶更易开裂c)对角线方向对角线方向最大最大热效应大，温升高，对角线处易过烧，

19、导致开裂热效应大，温升高，对角线处易过烧，导致开裂 假设中心薄弱，裂纹如图假设中心薄弱，裂纹如图c上上 假设角部薄弱，裂纹如图假设角部薄弱，裂纹如图c下下 预防措施预防措施a)减小送进量减小送进量l 工件与工具的接触长度工件与工具的接触长度 普通普通 l=(0.60.8)hb)减小柱状晶减小柱状晶c)减小压下量减小压下量h 112平锤头锻压圆锭时产生的内裂平锤头锻压圆锭时产生的内裂产生缘由产生缘由 锻压圆锭时，相当于紧缩厚件。假假设没有锻压圆锭时，相当于紧缩厚件。假假设没有外外 端，那么可自在地构成双鼓形，但由于外端端，那么可自在地构成双鼓形，但由于外端的的 拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力

20、。拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力。当翻转当翻转90锻成方坯时，裂纹如图锻成方坯时，裂纹如图(d)， 十字形十字形当旋转锻造圆坯时，裂纹如图当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射状，放射状 防止措施防止措施 采用槽形或弧形锤头，添加侧压，使附加采用槽形或弧形锤头，添加侧压，使附加 拉应力拉应力用图用图(a)的各种锤头锻压圆坯时，都有或多或少的在坯料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；而用图中心处出现裂纹；而用图(b)所示的两种锤头紧缩时，总所示的两种锤头紧缩时，总变形量达变形量达40%都还未出现任何裂纹。都还未出现任何裂纹。可见，最好采用如下两种锤头可见，最好采用如下两

21、种锤头:顶角不超越顶角不超越110的槽形锤头的槽形锤头Rr、包角为、包角为100110的弧形锤头的弧形锤头R 弧形的曲率半径弧形的曲率半径r 圆坯半径圆坯半径 1三锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹三锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹1产生缘由产生缘由当当 l/h0.5时，在断面中心产生纵向拉应力。时，在断面中心产生纵向拉应力。2防止措施防止措施 h 变形浸透性变形浸透性，附加拉应力，附加拉应力 送进量送进量 l 如以下图如以下图(b) l =(0.60.8)h 添加轧辊直径添加轧辊直径 D 有利于内部缺陷的焊合有利于内部缺陷的焊合四锻压延伸及轧制时产生的角裂四锻压延伸及轧制时产生的角裂1产生缘由产生

22、缘由未及时倒棱，角部温降大，产生拉伸热应力未及时倒棱，角部温降大，产生拉伸热应力角部变形抗力大，延伸小，产生附加拉应力角部变形抗力大，延伸小，产生附加拉应力2防止措施防止措施及时倒棱及时倒棱 加热时防止角部过热或过烧加热时防止角部过热或过烧 适当轻打适当轻打五锻压延伸及轧制时产生的端裂劈头五锻压延伸及轧制时产生的端裂劈头产生缘由产生缘由锤击过重时，端面鼓形严重，锤击过重时，端面鼓形严重，区质点向区质点向外鼓胀，使外鼓胀，使区外外表受拉力区外外表受拉力Q作用，在作用，在此拉力的作用下，使轧件端面开裂。此拉力的作用下，使轧件端面开裂。2防止措施防止措施正常锻压前先锻头部，改善端正常锻压前先锻头部，改善端部的塑性部的塑性防止轧件外表温度降低过大防止轧件外表温度降低过大六轧板时的边裂和薄件的中部裂六轧板时的边裂和薄件的中部裂 产生缘由产生缘由 凸辊轧制：边部受纵向附加拉应力，出现边裂凸辊轧制：边部受纵向附加拉应力，