第12讲断裂影响因素及现象分析

1、张贵杰张贵杰Tel-Mail： 华北理工大学金属材料及加工工程系华北理工大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第十二讲第十二讲2022-3-172第六章 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2022-3-1736.2 影响断裂类型的因素影响断裂类型的因素 塑性与脆性并非金属固定不变的特性，象金属钨，塑性与脆性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，在高静水压下却塑性。在

2、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，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。脆性，向有利于塑性提高方面转化。2022-3-174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

3、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 2022-3-175 变形温度变形温度 大多数金属材料大多数金属材料(除面心立方以外除面心立方以外)的变形中有一的变形中有一个重要的现象：随着变形温度的改变都有一个从个重要的现象：随着变形温度的改变都有一个从韧性断裂到脆性断裂的转变温度，称此温度为脆韧性断裂到脆性断裂的转变温度，称此温度为脆性转变温度，常以性转变温度，常以Tc来表示。来表示。在此温度以上是韧在此温度以上是韧性断裂，在此温度以下是脆性断裂。性断裂，在此温度以下是脆性断裂。 对一定材料来说，脆性转变温度越高，表征该材对一定材料来说，脆性转变温度越高，表征该材料脆性趋势愈大

4、。料脆性趋势愈大。 2022-3-176 如果变形温度不变，改变其他参数，如晶粒度，变形速如果变形温度不变，改变其他参数，如晶粒度，变形速度，应力状态等，同样也会出现塑性脆性转变现象。度，应力状态等，同样也会出现塑性脆性转变现象。 对这种现象的解释，可以认为断裂应力对这种现象的解释，可以认为断裂应力s sf对温度不够敏感，对温度不够敏感，热激活对脆性裂纹的传播不起多大作用，但屈服强度热激活对脆性裂纹的传播不起多大作用，但屈服强度s ss却却随温度变化很大，温度越低，随温度变化很大，温度越低，s ss越高。将越高。将s ss与与s sf对温度作对温度作图，则两条曲线的交点所对应的温度就是图，则两

5、条曲线的交点所对应的温度就是Tc。当。当T Tc时，时， s sf s ss ，此时材料要经过一段塑性变形后才能断裂，此时材料要经过一段塑性变形后才能断裂，故表现为韧性断裂；在故表现为韧性断裂；在T Tc 时，时， s sf s ss ，此时材料，此时材料未来得及塑性变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。未来得及塑性变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。2022-3-177s sf 和和 s ss与温度的关系与温度的关系2022-3-178 变形速度变形速度 变形速度的影响与变形温度类同，由于变形速度变形速度的影响与变形温度类同，由于变形速度的提高，塑性变形来不及进行而使的提高，塑性变形来不及

6、进行而使s ss增高，但变增高，但变形速度对断裂抗力形速度对断裂抗力s sf影响不大。所以在一定的条影响不大。所以在一定的条件下，就可以得到一个临介变形速度件下，就可以得到一个临介变形速度e ec，高于此，高于此值便产生脆性断裂。变形速度的提高相当于变形值便产生脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的效果。温度降低的效果。 2022-3-179 应力状态应力状态 应力状态对塑性脆性转变的影响，可采用不同应力状态对塑性脆性转变的影响，可采用不同深度缺口的拉伸试样来进行。缺口越深越尖锐三深度缺口的拉伸试样来进行。缺口越深越尖锐三向拉应力状态越强。试验表明，拉应力状态越强，向拉应力状态越强。试验

7、表明，拉应力状态越强，材料的脆性转变温度越高，脆性趋势越大。材料的脆性转变温度越高，脆性趋势越大。2022-3-1710 切口的试样比无缺口试切口的试样比无缺口试样的脆性转变温度有明样的脆性转变温度有明显提高。冲击弯曲由于显提高。冲击弯曲由于变形速度极快引起变形速度极快引起s ss提高，提高，所以与静弯曲（所以与静弯曲（B）相比）相比脆性转变温度也明显提脆性转变温度也明显提高。高。 由此可见，金属材料变形时的拉应力状态越强，由此可见，金属材料变形时的拉应力状态越强，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。2022-3-1711 金属材料的化学成份和组织状态金属材料的

8、化学成份和组织状态 不同含碳量对钢的冲击韧性的影响。随着含碳量不同含碳量对钢的冲击韧性的影响。随着含碳量的增加，冲击韧性明显降低，而且脆性转变温度的增加，冲击韧性明显降低，而且脆性转变温度上升，所以为避免低温脆性多选用含碳量低于上升，所以为避免低温脆性多选用含碳量低于0.2以下的钢。以下的钢。2022-3-1712 添加添加Mn或或Ni可以有效可以有效地降低转变温度。因地降低转变温度。因为两者都能使晶粒细为两者都能使晶粒细化，此外化，此外Mn还能抑制还能抑制碳化物沿晶界析出；碳化物沿晶界析出；Ni能促使位错产生交能促使位错产生交滑移避免应力集中，滑移避免应力集中，这些都有助于转变温这些都有助于

9、转变温度的降低。度的降低。低碳钢的断裂应力和屈服应力与晶低碳钢的断裂应力和屈服应力与晶粒大小的关系粒大小的关系2022-3-1713 钢材经淬火后高钢材经淬火后高温调质处理得到温调质处理得到索氏体组织，这索氏体组织，这对降低脆性转变对降低脆性转变温度是极为有效温度是极为有效的。的。 图中表明调质钢图中表明调质钢与正火钢和热轧与正火钢和热轧钢相比，脆性转钢相比，脆性转变温度明显降低。变温度明显降低。2022-3-17146.3 塑性加工中的断裂现象分析塑性加工中的断裂现象分析 塑性加工中的断裂除因铸锭质量差（如铸造时产塑性加工中的断裂除因铸锭质量差（如铸造时产生的疏松、裂纹、偏析和粗大晶粒等）和

10、加热质生的疏松、裂纹、偏析和粗大晶粒等）和加热质量不良所造成过热、过烧的原因外，绝大多数的量不良所造成过热、过烧的原因外，绝大多数的断裂是属于不均匀变形所造成的。断裂是属于不均匀变形所造成的。 在生产中因工艺条件和操作上的不合理，会发生在生产中因工艺条件和操作上的不合理，会发生各种断裂。因此，应结合具体金属的塑性加工工各种断裂。因此，应结合具体金属的塑性加工工艺过程和断裂现象，分析其断裂原因，进而找出艺过程和断裂现象，分析其断裂原因，进而找出防止断裂的措施。防止断裂的措施。2022-3-1715 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2022-3-

11、17166.3.1 锻造时的断裂锻造时的断裂 锻造时的表面开裂锻造时的表面开裂 现象现象2022-3-17172022-3-1718 产生原因产生原因 自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应力。侧面周向承受拉应力。 当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直(图图a)。当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内。当锻造温度较低时，晶

12、间强度常高于晶内强度，便出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂强度，便出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与最大主应力成纹方向常与最大主应力成45角角(图图b)。2022-3-1719 防止或减轻措施防止或减轻措施 (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；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。向压缩，使周向拉应力减少。 (3)采用软垫采用软垫 (4)采用活动套环和包套采用活动套环和包套2022-3-1720用

13、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2022-3-1721包套镦粗包套镦粗2022-3-1722 锻造时的内部裂纹锻造时的内部裂纹 现象现象2022-3-1723 产生原因对角十字横裂对角十字横裂2022-3-1724方形件锻压延伸变形图示方形件锻压延伸变形图示2022-3-1725锻压圆坯时产生的十字横裂锻压圆坯时产生的十字横裂2022-3-1726改变工具形状以减小锻压内裂改变工具形状以减小锻压内裂2011-10-31-32022-3-17276.3.2 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2022-3-1728

14、凹形轧辊轧制平板时的裂纹凹形轧辊轧制平板时的裂纹2022-3-1729 为避免上述断裂现象的发生，首先是要有为避免上述断裂现象的发生，首先是要有适宜的良好辊型和坯料尺寸形状。其次是适宜的良好辊型和坯料尺寸形状。其次是制定合理的轧制工艺规程制定合理的轧制工艺规程(压下量控制、张压下量控制、张力调整、润滑适宜等等力调整、润滑适宜等等)。2022-3-1730 轧制时内部裂纹轧制时内部裂纹 现象现象2022-3-1731厚件轧制变形及纵向附加应力的分布情况厚件轧制变形及纵向附加应力的分布情况2022-3-17326.3.3 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2022-3-1

15、733拉拔时金属表面的裂纹拉拔时金属表面的裂纹2022-3-1734 无论挤压与拉拔，减少摩擦阻力，会使金属流动无论挤压与拉拔，减少摩擦阻力，会使金属流动不均匀性减轻，从而可以防止裂纹的产生。不均匀性减轻，从而可以防止裂纹的产生。 防止裂纹的有效方法是加强润滑，例如铝合金热防止裂纹的有效方法是加强润滑，例如铝合金热挤压采用油石墨润滑剂，钢热挤时采用玻璃作挤压采用油石墨润滑剂，钢热挤时采用玻璃作润滑剂。因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以润滑剂。因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以外，还有垂直压力和接触面积的影响；对挤压和外，还有垂直压力和接触面积的影响；对挤压和拉拔来说还可以采用反向挤压、反张力拉拔，辊拉拔来说还可以采用反向挤压、反张力拉拔，辊式模拉伸等方法来减少有害摩擦，防止断裂现象式模拉伸等方法来减少有害摩擦，防止断裂现象的发生。的发生。2022-3-1735 内部裂纹内部裂纹 现象现象2022-3-1736 为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂现象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