金属的断裂优秀公开课件

５．金属的断裂

本章重点：*研究金属在塑性变形时裂纹发生和发展的规律性*变形条件对金属断裂的影响*塑性加工中金属的断裂

5.1断裂的基本类型弹性变形→塑性变形→断裂1．脆性断裂在正应力作用下，物体极快地沿解理面发生断裂解理面一般指晶面指数较低的面脆性解理断裂的裂纹传播速度可达1030m/s

特点：①裂口生成、发展均很快断裂前没有明显的塑性变形，ε＜5%②断口平整（破断面和拉应力接近于正交）有金属光泽断口⊥σmax断口沿解理面在电镜下可看到解理亮面

二种情况：沿解理面的穿晶断裂——河流状、舌状花纹沿晶界的晶间断裂——冰糖状、颗粒状2．韧性断裂在切应力作用下，先产生一定量的塑性变形，然后断裂。特点：①裂口生成、发展均很慢断裂前能产生显著的塑性变形②断口粗糙、无光泽，呈暗灰色纤维状电子显微镜下可看到韧窝、撕裂岭韧性断裂的断口具体表现形式有：低塑性材料：切变断裂断口∥τmax断裂面即是滑移面如：密排六方的金属单晶高塑性材料：拉缩成一点断开如：Au、Pb、Fe等单晶体一般塑性材料：断口呈杯锥状

杯锥状断口双杯锥状断口钢与合金纯金属断口韧性断裂主要表现为穿晶断裂X＜ac时，随外力↑(X↑)，结合力↑X＞ac时，随外力↑(X↑)，结合力↓→0最后导致断裂X＝ac时，原子间结合力最大σmXac原子间作用力与原子间距(X)的关系σm当外力P

使得σ＞σm时，导致晶体断裂称σm为理论断裂强度σm的估算公式：σm=(E·γ/a)1/2

E——弹性模量

γ——单位面积的表面能a——原子面间距一般金属材料：σm≈2000kg/mm2

与实际情况不附二．Griffith理论1．理论的引出假设：在实际晶体中存在各种缺陷(微裂口)，在外力作用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均应力未达到σm时，缺陷处的应力集中已超过σm，使裂口得以逐步发展，结果导致实际断裂强度大为下降。Griffith认为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值σc当σ＜σc时，裂口不能扩大当σ＞σc时，裂口迅速扩大，导致断裂e1=单位体积弹性能×裂口总体积裂口所松驰的弹性能可近似看作形成直径为2c的无应力区域所释放的能量粗略估计值：e1≈－1/2σ·ε×πc2=－πc2σ2/2E更精确计算出的值为粗略估计值的二倍，即：

e1=－πc2σ2/Ee2=单位面积表面能×裂口总面积=4cγ

e=4cγ－πc2σ2/E讨论c＜ckc↑、e↑c＞ckc↑、e↓ck：裂口扩展临界长度裂口传播的条件裂口的长度对应于能量e=e1+e2的极大值，裂口就可自发的扩展emaxde/dc=04γ－2πσ2c/E=0裂口传播的临界拉应力为：σc=(2Eγ/πc)1/2≈(Eγ/c)1/2

Griffith公式

σ＞σc时，裂口才能扩展c↑、σc↓裂口长度越大，所需临界应力越小Griffith理论较适合于非晶体和脆性材料三．裂口形核机理基本思想：位错理论在外力作用下，刃型位错的合并可构成裂口的胚芽几种具体机理：1．位错塞积机理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2．位错反应机理二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4．位错墙侧移机理由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯折，形成裂口结论：刃型位错合并、堆积→应力集中→断裂源→达到σc条件→裂口扩展→脆断5.3韧性断裂的裂口形成与发展一．韧性断裂的形成过程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裂口沿垂直于拉伸方向扩展，接近表面沿τmax方向断裂形成杯锥状↑↓2．杂质本身的破碎3．因位错塞积，造成应力集中，形成微裂纹三．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当温度t＜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tk——脆性转化温度二．变形速度变形速度↑，材料趋向于脆性断裂

k:临界变形速度＞kσf＜σs——脆性断裂＜k

σf＞σs——韧性断裂三．应力状态用软性系数

α=τmax/σmax表示

τ——推动位错移动，决定位错堆积的数目，对塑性变形和断裂的发生和发展过程都有影响

σ——只影响断裂的发展过程，拉应力促使裂缝的发展。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τmax和σmax

τmax=(σ1－σ3)/2σmax=σ1－υ(σ2＋σ3)取υ=0.25得到：三向等拉伸α=0单向拉伸α=0.5扭转α=0.8单向压缩α=2三向不等压缩α=∞压应力↑α↑——韧断一般α＞0.5软应力状态韧性断裂

α＜0.5硬应力状态脆性断裂

5.5塑性加工中金属的断裂一．镦粗时的侧面开裂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)2．防止措施σ环↓——不均匀变形↓，鼓形↓①f↓提高表面光洁度，采用润滑剂②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↓

③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。二．锻压延伸时的内部裂纹１．平锤头锻压方坯时产生X形内裂①产生原因a)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b)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c)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

②预防措施a)减小送进量l

工件与工具的接触长度

一般l=(0.6～0.8)hb)减小柱状晶c)减小压下量△h

112．平锤头锻压圆锭时产生的内裂①产生原因锻压圆锭时，相当于压缩厚件。假若没有外端，则可自由地形成双鼓形，但由于外端的拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力。当翻转90°锻成方坯时，裂纹如图(d)，十字形当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射状②防止措施采用槽形或弧形锤头，增加侧压，使附加拉应力↓用图(a)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(b)所示的两种锤头压缩时，总变形量达40%都还未出现任何裂纹。可见，最好采用如下两种锤头:顶角不超过110°的槽形锤头R≤r、包角为100°~110°的弧形锤头R——弧形的曲率半径r──圆坯半径1三．锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹1．产生原因当l/h＜0.5时，在断面中心产生纵向拉应力。2．防止措施①△h↑变形渗透性↑，附加拉应力↓②送进量l↑如下图(b)l=(0.6~0.8)h③增加轧辊直径D有利于内部缺陷的焊合四．锻压延伸及轧制时产生的角裂1．产生原因未及时倒棱，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2．防止措施①及时倒棱②加热时防止角部过热或过烧③适当轻打五．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。2．防止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六．轧板时的边裂和薄件的中部裂

１．产生原因凸辊轧制：边部受纵向附加拉应力，出现边裂凹辊轧制：中部受纵向附加拉应力，出现中部裂口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七．拉拔时的内裂１．产生原因当l/d0较小时，只产生表面变形，中心部位受附加拉应力２．防止措施增加l/d0减小模孔锥角α增加ε，使变形深入到棒材的轴心区八．挤压时的竹节状裂纹１．产生原因挤压时，挤压缸与模孔的摩擦作用，表面变形小，产生附加拉应力２．防止