第4章 金属在加工中的断裂

4金属在加工中的断裂§4.1断裂的物理本质§4.2塑性加工中的断裂基本知识点：断裂的基本类型，脆性断裂、延性断裂的定义；裂纹的生成和发展的基本理论。重点：延性断裂的发展过程，墩粗饼材时侧面的断裂；锻压或拔长时的内部纵裂；挤压和拉拔时的主要断裂。难点：Griffith裂口理论；墩粗饼材时侧面的断裂；锻压或拔长时的内部纵裂；锻压或延伸时产生的内部横裂；挤压和拉拔时的主要断裂。§4.1断裂的物理本质断裂的基本类型：脆性和延性断裂；裂缝的生成和发展：裂口理论.1断裂的基本类型按断裂前的塑性变形的大小分：延性断裂，脆性断裂。延性断裂（或称韧性断裂）：单向拉伸时，延伸率大于5%；起因：多为切（剪）应力引起，沿滑移面发生滑移变形而破坏，出现细颈现象。特征：断裂前有明显的塑变，断面灰暗，有纤维状条纹，宏观外貌不整齐。拉伸时，裂口多呈杯锥状。脆性断裂：单向拉伸时，延伸率小于5%；

起因：多为正应力引起，沿垂直于应力方向的原子面撕裂。

特征：断裂前基本上不产生塑变，断面光亮，为解理面。图4－1从微观的原子论看断裂的两种形式（a）脆性断裂（正断）；（b）延性断裂（切断）从微观学的角度来看，断裂可分成：沿滑移面发生滑移变形而破坏，后果为延性断裂；沿垂直于应力方向的原子面撕裂，后果为脆性断裂；图4－2α铁（体心立方晶格）的解理面（晶面指数比较低的晶面

）

（a）解理面；(b)滑移面图4-3杯锥状断口（a）杯锥形断口；(b)双杯锥形断口按裂纹发展的途径分：穿晶断裂和沿晶界的晶间断裂（裂纹总是沿原子键结合力最薄弱的面进行）。穿晶断裂：沿解理面的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；沿晶界的晶间断裂：断口呈颗粒状。起因：通常与晶界上的脆化因素（例如沉淀相的析出、杂质和溶质原子的偏聚等）有关。图4-4（a）穿晶断裂；(b)晶间断裂脆性断裂的破断面和拉应力接近于正交，断口平齐（图4-5a），延性断裂，主要表现为穿晶断裂，而延性的晶间断裂，只有在高温下金属发生蠕变时才能见到。延性断裂的具体表现形式有以下几种：一种是切变断裂，例如密排六方金属单晶体，其断面就是滑移面（图4-5b）；延性断裂的另一种是在塑性变形后出现细颈，一些塑性非常好的材料（如金、铅、铁的单晶体等），断面收缩率几乎达到100％，可以拉缩成一点才断开（图4-5c）；对于一般的金属，断裂由试样中心才开始，然后沿图4-5（d）所示的虚线断开，形成杯锥状断口。图4-5（e）所示的为平面断口，几乎未产生局部收缩，断面收缩率较小，高碳钢那样的较脆材料延性断裂时常见到这种情况。还应指出，产生杯锥状断口和平面断口的延性断裂，在破断面上呈灰色，由肉眼可看到纤维状，故称为纤维断口。图4－5金属试样拉伸时的断裂类型2裂缝的生成和发展2）裂口的成核机制

关于裂口成核机制，从位错理论出发，人们曾提出过多种设想，通常都是假定在应力作用下刃型位错的合并可以构成裂口的胚芽（图4－6）。图4－6同号刃型位错合并成裂口的胚芽3）延性断裂杯锥断裂的发生过程。图4－7示出了延性断裂发展的各个阶段。拉伸变形中，当加工硬化所引起的强度增加不足以补偿断面收缩的效应时，就产生了细颈，出现三向拉应力状态（图4－7a）。由于细颈中央在三向拉应力作用下开始出现许多小的空洞（图4－7b）。图4－7标准断裂（杯锥型）过程4）断裂的发展

物体在塑性变形中出现裂口（或空洞），并不意味着材料已断裂。从裂口→断裂是一个发展的过程。随塑性变形的发展，空洞不断形成与扩大。只有当变形达到某一程度，这些空洞结合一起→断裂。物体受到破坏的同时，还存在着破坏的修复过程，其最终的结果，取决于它们进行的速度。若修复速度大于破坏胚芽的形成速度，则变形任一时刻发生的显微破坏都能得到修复，则不会破坏，这种情况是粘性体和不破坏的塑性体所有的。若破坏的形成和发展速度很大而其修复速度很小时，就会出现另一种情况：破坏发展非常快，以致塑性变形来不及发生，使物体破坏时没有明显的塑性变形标志。若修复速度小于亚显微破坏的胚芽形成速度，破坏就会不断发展和积累起来，经显微组织破坏，宏观破坏，最后达到某一变形程度时，物体就会发生断裂。继续拉伸时，这些空洞逐渐汇集成小裂口（图6－7c）。裂口沿垂直于拉伸方向发展，直到接近于试样表面（图4－7d）。然后沿着局部应力集中的切变形平面（与拉伸轴成45°）传播，最后形成杯锥状断口的锥面部分（图4－7e）。可见，延性断裂发源于小的空洞地方。这些空洞除了因位错塞积时在基体上发生显微裂纹而引起外，空洞主要是在析出物、夹杂物等第二相粒子的地方发生，这可由金属纯度提高空洞数量减小、断面收缩率增加的事实得到证明。§4.2塑性加工中的断裂1镦粗饼材时侧面的纵裂镦粗塑性较低的钢与合金饼材时，常出现如图4－8（a）、（b）所示的侧面纵裂。产生这种裂纹的主要原因，是由于在墩粗饼材时中Ⅲ区的鼓形处受有环向拉应力所致。在锻压温度过高时，由于晶粒间的强度大大削弱而常常产生由晶粒边界拉裂，其裂纹和环向拉应力方向近于垂直（图4－8a）；当锻压温度较低时，常出现穿晶切断，其裂纹和环向拉应力方向接近于成45°角（图4－8b）。图4－8锻压时断裂的主要形式图4－9轧制时断裂的主要形式常用的措施如下：1）减少工件与工具间的接触摩擦，一种办法是提高工具表面的光洁度；还可采用合适的润滑剂。2）采用软垫（图4－10）由于软垫比工件的变形抗力小，故在压缩的开始阶段软垫先变形（这时工件也可能有些变形，但比软垫的小得多），产生强烈的径向流动。由于软垫与工件端面间摩擦力的作用，软垫便拖着工件端面一起向外流动，结果使工件侧面形成凹形（图4－10a）。随着软垫继续受压缩，软垫厚度变薄而直径增大，使其单位变形抗力增加。这时工件便开始显著经受压缩变形，于是工件侧面的凹形逐渐消失而变成平直（图4－10b），继续压缩才出现鼓形（图4－10c）。这样就会大为减少不均匀变形，因而也就减少了侧面的环向拉应力。此外，在热镦粗时由于采用加热了的软垫，还可以减少由于工件端面与工具接触时而引起的温降。镦粗塑性较低的高合金钢与合金时，常用软垫做钢垫。加软垫镦粗，不仅可防止因不均匀变形而产生的裂纹，还可使单位压力大大降低。图4－10加软垫镦粗的情况1—试样；2—工具；3—软垫3)活动套环(图4－11a)和包套镦粗(图4－11b)用活动套环镦粗低塑性高合金钢与合金时，毛坯经一定的小变形后与套环接触，然后取走垫铁，使坯料和套环一起镦粗，套环由普通钢制成，其加热温度比坯料低些，使套环的变形抗力比坯料的大，以便使套环能对坯料的流动起限制作用，从而增强三向压应力状态，以防止产生裂纹。同理，也可采用如图4－11（b）所示的包套镦粗，即把事先包上外套的坯料加热后，外套和坯料一起镦粗。镦粗低塑性的高合金钢与合金时，用普通钢做外套，套的外径可取D=（2~3）d，d是坯料的原始直径。此外，在热镦粗塑性较低的合金钢与合金时，锤头和砧铁应当预热。坯料表面的缺陷也会促使裂纹的生成，所以在镦粗前坯料的表面清理是非常重要的。图4－11用活动套环（a）和包套(b)镦粗1—工件；2—外套；3—套环；4—垫铁2锻压延伸（或拔长）时的内部纵裂用平锤头锻压方坯时产生的对角十字断裂（图4－8c）锻压时由于接触面上外摩擦的作用，在锻件的横断面上按变形程度的不同，可分为三个区域。靠近接触面处为难变形区（图中A区）；对角十字区（图中之a、b区）为变形最激烈的区域。在压缩时，难变形区A在垂直方向移动，与此同时，A区也拖动与它相邻接的a区金属沿箭头方向移动。由于变形最激烈的横断面中部金属向外流动的结果，便推动着B区金属沿横向移动，即产生宽展。与此同时，B区也拖动着与它相邻接的b区金属沿箭头方向移动。于是，a和b区的金属，便在坯料的对角线方向产生激烈的相对错动。如图4－12（b）所示，当翻转90°后压缩时，a、b区金属的错动方向便对调。这样，在反复激烈的错动下，最后便导致从坯料的对角线处开裂。裂口内壁是光滑的，也说明裂口是错裂的。图4－12在“锻造十字”区金属的流动方向（a）锤头在A区压缩；（b）锤头在B区压缩图4－13锻压延伸时的送进量（l）对于容易产生过烧的钢与合金，当高速重打时，在变形激烈的对角线处由于温升过高使之过烧，也容易产生这种开裂。如果坯料断面中心钢质不好（如钢锭断面中心常常是杂质聚积、疏松和容易过烧的部位），便首先从中心部产生对角十字裂口（图4－8c之上图）；如果坯料角部薄弱，便首先从接近角部的对角线处开裂（图4－8之c下图）。在锻压延伸时，每次送进量l（为工件与工具的接触长度，图4－13）越大，宽展越大（因为送进量增加，由于接触区变长，而使纵向摩擦阻力增大，促使金属向宽向流动），a、b区金属沿对角线方向错动也加剧，因而也就会促使对角十字开裂。所以，送进量不能过大，但也不能过小（过小则可能产生图6－8f所示的横裂），一般取l=(0.6~0.8)h。锤头锻压圆锭（坯）时，和带外端压缩高件的情况相类似。这时，假如没有外端（指接触区以外的两个弓形区aAb

cCd），则可自由地产生双鼓变形（图4－14a中之虚线）。实际上，因为有外端作用而使鼓形受到限制，于是在断面的中心部分便受到水平拉应力σ2作用（图4－14b）。在此拉应力作用下，便会产生如图4－15（a）所示之裂口；当翻钢90°锻压后，便会产生如图4－15（b）所示的裂口。这样，在锻压坯时，若用平锤头由圆锭靠翻90°锻成方坯时，便可能在坯料之中心处产生如图4－8（d）所示之横竖十字裂口；若用平锤头靠旋转锻造圆坯时，便会在坯料中心处产生如图4－8（e）所示的孔腔，即不规则的放射状裂纹（图4－15c）。图4－14用平锤头锻压圆坯的情况图4－15平锤头锻压圆坯时裂口的形成3.锻压延伸及轧制时产生的内部横裂

实验表明，锻压延伸中当送进量l与件厚之比l/h<0.5时，便在断面中心部产生纵向拉应力（图4－16a），在此拉应力的作用下便会产生横裂（图4－8f）。这种横裂一般在坯料内呈周期性出现，因为裂纹一出现，以前产生的拉应力就解除，然后拉应力再积累，再拉裂等等。若断面中心处钢质不好和容易产生轴心过烧，更加容易产生裂纹。在一个方向多次锤击下，这种横裂有时会扩展到侧表面。对同样的件厚，增加送进量l可使变形向内部深入，减少纵向拉应力（图4－16b），因此便会防止横裂。前已述及，送进量也不能过大，否则又会促使产生对角十字裂口。图4－16方形坯锻压延伸变形图示

（a）窄锤头（l/h＜0.5）（b）宽锤头（l/h≥1.0）图4－17厚件轧制时的变形及附加应力

+—纵向附加拉应力；－—纵向附加压应力4挤压和拉拔时产生的主要断裂挤压时，在挤压材的表面常出现如图4－19（a）所示的断裂，严重时会出现竹节状裂口。产生这种裂口有挤压时金属的流动特点有关。挤压时，由于挤压缸和模孔的摩擦力的阻滞作用，使挤压件表面向外流动的慢，内层流动的快。又受外端作用，。使金属各层的延伸“拉齐”，于是在挤压材的外层受纵向附加拉应力。一般说来，此附加应力越趋近于变形区的出口，其数值越大（图4－19c）。如果在a—a截面表层上，由于有较大的附加拉应力作用而使工作应力变为拉应力，并且达到了实际的断裂强度时，则在表面上就会发生向内扩展的裂纹，其形状与金属通过模孔的速度有关。裂纹的发生消除了在裂纹范围以内的附加应力，故只有当第一条裂纹的末端K走出a—a线以后停止继续扩展，才有因附加拉应力作用再产生第二条裂纹的情形（图4－19b），依此类推。这样，就在挤压材上发生了一系列周期性的断裂。当材料表面温度降低而使其塑性下降的情况下，便更会促使这种断裂的发生。图4－18GCr15钢在600轧机上轧制时微裂纹与D/h之关系图4－19挤压时的断裂（a）挤压时的断裂；（b）挤压时通过变形区裂纹的形成（0—裂纹起点；K—裂纹终点；（c）挤压时纵向应力分布图（1—附加应力；2—基本应力；3—工作应力）图4－20拉拔时的断裂

（a）拉拔时的内裂；(b)拉拔过程试分析矩形断面金属板料在二平辊间轧制后其前后端出现凸形的原因.

（1）轧件受压下后，其变形金属向二个方向流动：延伸和展宽。（2）接触面的外摩擦和附近的金属对延伸和展宽都有影响。（3）在轧件宽度中间的金属受二侧金属的限制及受轧辊表面磨擦阻碍的影响最大，展宽变得最困难，，因而延伸大，展宽小，边部金属受外摩擦的影响最小，故其展宽最大、延伸最小，出现图示现象。锻压圆坯时采用槽形或弧形锤头为什么可防止工件横断面中心处产生裂口。当采用平锤头锻压圆坯时，由于受外端的影响，在圆坯的中心处产生拉应力，在此拉应力的作用下会产生裂口，当采用带槽形或弧形锤头时，受工具形状的影响，圆坯的中心处的拉应力会受到限制，甚至会产生压应力，则会大大降低中心裂口出现的机率。简述钢板轧制时产生边浪或中间浪的原因。主要原因是沿轧件宽度轧件的厚度不均，导致沿宽度方向压下率不同，长度上的延伸系数不同。当边部较厚且较中间部分窄时，边部产生附加压应力，受中间金属的影响，边部产生波浪；当中间较厚且较边部窄时，中间部分产生附加压应力，受边部的影响，产生中间边浪。简述钢板轧制时产生边浪或中间浪的原因。

主要原因是沿轧件宽度轧件的厚