金属塑成型原理 第十二章 12.24最终版

第十二章金属在加工变形中的断裂镁合金管材拉拔断裂在生产低塑性的钢铁或者合金时，常常发现在材料的表面或者内部出现断裂特征：断面外观没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂阶段，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐。12.1断裂的物理本质12.1.1断裂的基本类型12.1.1.1脆性断裂脆性断裂断口示意图脆性断裂的表现形式：单晶体：沿着解理面的解理断裂；（解理面一般是晶面指数比较低的镜面，如体心立方的（100）面）多晶体：裂纹沿着解理面横穿晶粒的穿晶断裂并断口呈现解理亮面或者是裂纹沿晶界的晶间断裂、断口呈颗粒状脆性断裂方式示意图（a）穿晶断裂（b）沿晶断裂12.1.1.2韧性断裂特征：裂口生成、发展均很慢，断裂前经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光，若在电子显微镜下可看到韧窝等。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则会发生晶间断裂。韧性断裂的表现形式：低塑性材料：切变断裂（断口∥τmax）；高塑性材料：塑性变形后出现颈缩甚至是拉缩成一个点后才断开（如Au、Fe等金属）低塑性材料的切变断裂高塑性材料的颈缩断裂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。韧性断裂的特点：断裂前发生了较大的塑性变形，断裂时也要消耗相当多的能量，是一种高能量的吸收过程；小裂纹扩大和聚合过程中又不断产生新裂纹，所以韧性断裂表现出多裂纹源韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；随着变形的不断进行，裂纹不断产生、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹扩展也随之停止。

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。Tips12.1.2断裂过程与物理本质12.1.2.1断裂过程金属塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，断裂过程又可分为裂纹形核和裂纹扩展两个阶段。塑性变形和断裂是相互联系的、相互竞争的两个过程：塑性变形受阻（位错的增殖和塞积）导致裂纹形核，塑性变形的发展（位错的释放和消失）导致裂纹扩展是构成裂纹产生和发展的两个基本要素。解释：力学角度：实际生产金属绝大部分为多晶体，在外力作用下，首先是取向最有利的晶粒（即外力对其滑移系具有最大的切应力的晶粒）中的滑移或者孪生机制启动，从而产生塑性变形，而周围取向不利的晶粒由于滑移系上的分切应力尚未达到临界值未能产生塑性变形。产生塑性变形的晶粒滑移面上的位错源开动后，位错便源源不断地沿着滑移面进行运动，但是周围晶粒取向不同，滑移系也不同，因此运动的位错不能越过晶界，滑移不能发展到了另一个晶粒中，位错在晶界出受阻。受阻位错造成很多的应力集中，这一应力集中值与外加应力叠加，使得相邻晶粒某些滑移系得以启动。当某些晶粒中变形方式不能满足塑性变形连续性要求时，塑性变形受阻，在这些变形不协调的局部区域将会发生裂纹的形核和扩展过程。位错理论角度：位错在滑移面上运动和增值，塑性变形受阻后运动塞积形成一个高应力集中区域，如果高应力集中区域积累的应变能足够大，足以破坏原子结合键时，便开始发生裂纹形核，随着形变过程发展，通过位错不断消失到裂纹中而导致裂纹的长大。当裂纹占到临界尺寸时，裂纹尖端的能量释放率达到裂纹扩展单位面积所吸收的能力，裂纹变开始失稳直到最终断裂。简而言之即是裂纹的发展过程是一种位错不断塞积和消失的过程。12.1.2.2裂纹形核理论（1）位错塞积理论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。位错塞积理论裂纹形成示意图12.1.2.2裂纹形核理论（2）位错反应理论二个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。位错反应理论裂纹形成示意图：（a）位错汇合，（b）形成裂口12.1.2.3裂纹发展（1）从裂口产生到物体最终断裂之间是一个发展的过程。随着塑性变形发展，只有当裂口或者空洞不断形成与扩大，并相互结合起来才能导致最终断裂。裂口沿垂直于拉伸方向扩展，接近表面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韧性断裂从微孔产生到断裂过程（2）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。12.1.2.3裂纹发展产生微孔的机理：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；杂质本身的破碎；因位错塞积，造成应力集中，形成微裂纹；（3）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）12.1.2.3裂纹发展修复速度>破坏坯芽形成速度：显微破坏都能修复（粘性体）；破坏形成和发展速度很大，修复速度很小：破坏时没有明显塑性变形标志；修复速度<亚显微破坏的坯芽形成速度：破坏是有塑性变形迹象；冷变形时，破坏只能通过压扁变形和随后的破坏表面层原子的压结来修复热变形时，除冷变形的修复机制以外，还能通过原子扩散和再结晶过程来修复。12.2影响断裂类型的因素（1）变形温度σf——正断抗力σs——塑性变形抗力Tw

——塑性变形温度Tk

——脆性临界温度当温度Tw＞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——韧性断裂岩盐的σs和σf与温度的关系12.2影响断裂类型的因素（1）变形温度σf——正断抗力σs——塑性变形抗力Tw

——塑性变形温度Tk

——脆性临界温度当温度Tw<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——脆性断裂岩盐的σs和σf与温度的关系12.2影响断裂类型的因素（2）变形速度变形速度越大，材料趋向于脆性断裂临界变形速度σs和σf与加载速度的关系>，σf<σs——脆性断裂<，σf>σs——韧性断裂12.2影响断裂类型的因素（3）应力状态的影响三向拉应力状态时，有效切应力将减少，为使材料屈服，拉伸应力值增高；拉伸同时存在流体静压力作用，材料屈服更容易12.3塑性加工中金属的断裂塑性加工时，不均匀变形、较差的加热质量和塑性较低的材料均会造成加工过程出现断裂。12.3.1镦粗饼材时侧面纵裂（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)镦粗饼材侧面纵裂示意图12.3.1镦粗饼材时侧面纵裂（2）防止措施：从原因分析，当σ环↓——不均匀变形↓，鼓形↓，采取以下方法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↓，σ环↓加软垫镦粗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。用活动套环（a）和包套（b）镦粗1-工件，2-外套，3-套环，4-垫铁12.3.2锻压延伸（或拔长）时的内部纵裂12.3.2.1平锤头锻压方坯时产生对角十字（X形）内裂

12.3.2.1平锤头锻压方坯时产生对角十字（X形）内裂

（1）产生原因：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；

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；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12.3.2.1平锤头锻压方坯时产生对角十字（X形）内裂

（2）预防措施：减小送进量（工件与工具的接触长度）：一般送进量l=(0.6～0.8)h锻压延伸送进量较小柱状晶；较小压下量△h

12.3.3锻压延伸（或拔长）时的内部纵裂12.3.3.2平锤头锻压圆坯时出现的纵向内裂

用平锤头锻压圆坯的情况受力情况：假若没有外端，则可自由地形成双鼓形，但由于外端的齐作用，使工件中心产生附加拉应力，压下时，断面的中心部分受到水平拉应力σ2作用。12.3.3.2平锤头锻压圆坯时出现的纵向内裂

初始压下时，水平拉应力σ2作用，产生（a）所示裂口；翻钢90℃锻压后，产生（b）所示裂口；圆锭翻90℃锻造方坯时，产生图（d）所示横竖十字裂口；圆锭旋转锻成圆坯料，产生如图（e）所示孔腔用平锤头锻压圆坯裂口情况12.3.3.2平锤头锻压方坯时产生对角十字（X形）内裂

（2）预防措施：

采用槽形或弧形锤头，增加侧压，使附加拉应力减小用槽形或弧形锤头锻压圆坯12.3.4锻压延伸及轧制时产生的内部横裂（1）产生原因：当送进量L与厚度之比即L/h<0.5时，在断面中心部产生纵向拉应力，由此产生横裂。该种横裂一般呈周期性出现，这是因为裂纹一出现，以前产生拉应力变消除，然后拉应力在积累，再拉裂。轧制厚件[L/h-<0.5,h-=（H+h）/2）为轧件平均厚度],由于轧件断面中心部产生纵向拉应力，会导致内部横裂。窄锤头（L/h<0.5）时方形件延伸变形图示窄锤头（L/h<0.5）时方形件延伸变形内部横裂示意图（2）预防措施：

△h↑变形渗透性↑，附加拉应力↓；送进量l↑如下图(b)l=(0.6~0.8)h；增加轧辊直径D，有利于内部缺陷的焊合宽锤头（L/h≧1.0）时方形件延伸变形图示12.3.5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。锻压时端部劈头情况分析方坯锻压时，端面呈对角十字裂口圆锭锻压时，端面呈横竖十字裂口；圆锭锻圆时，端面呈放射状裂口；横竖十字裂口放射状裂口对角十字裂口（2）预防措施：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；12.3.6轧板时的边裂和薄件的中部开裂（1）产生原因凸辊轧制：边部受纵向附加拉应力，出现边裂（板材塑性不好时）或中部产生皱褶（板材塑性良好时）；凹辊轧制：中部受纵向附加拉应力，边部受纵向附加压应力，出现中部裂口（板材塑性不好）或者边部产生皱褶（板材塑性良好时）（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；凸辊轧板边裂12.3.7挤压和拉拔时产生的主要断裂（1）产生原因当