金屬塑性變形理論第11講斷裂類型及物理本質(zhì).ppt

1、金屬塑性變形理論,第十一講 Lesson Eleven,2020/11/12,2,第六章 金屬的斷裂,主要內(nèi)容 Main Content 斷裂的基本類型及物理本質(zhì) 影響斷裂類型的因素 塑性加工中的各種斷裂現(xiàn)象分析,2020/11/12,3,6.1 斷裂的基本類型及物理本質(zhì),斷裂的概念 斷裂的基本類型 脆性斷裂 韌性斷裂,2020/11/12,4,6.1.1 斷裂的概念,金屬的斷裂是指金屬材料在變形超過其塑性極限而呈現(xiàn)完全分開的狀態(tài)。 材料受力時，原子相對位置發(fā)生了改變，當局部變形量超過一定限度時，原于間結(jié)合力遭受破壞，使其出現(xiàn)了裂紋，裂紋經(jīng)過擴展而使金屬斷開。,2020/11/12,5,現(xiàn)象：

2、扁擔從彈性變形到塑性變形，再到斷裂 飛機發(fā)動機渦輪葉片從損傷到斷裂,斷裂遠比彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等，更具有危險性!,2020/11/12,6,壓力加工制品的斷裂形式,2020/11/12,7,2020/11/12,8,金屬塑性的好壞表明了它抑制斷裂能力的高低。 在塑性加工生產(chǎn)中，尤其對塑性較差的材料，斷裂常常是引起人們極為關注的問題。加工材料的表面和內(nèi)部的裂紋，以至整體性的破壞皆會使成品率和生產(chǎn)率大大降低。為此，有必要了解斷裂的物理本質(zhì)及其規(guī)律，有效地防止斷裂，盡可能地發(fā)揮金屬材料的潛在塑性。,2020/11/12,9,6.1.2 斷裂的基本類型,按服役條件分類 按斷裂應變分類 按斷裂面取向

3、分類 按斷口形貌分類 按斷裂路徑分類,（1)沿晶斷裂 （2)解理斷裂 （3)微孔聚集型斷裂 （4)準解理斷裂 （5)純剪切斷裂,2020/11/12,10,正斷與剪斷的宏觀與微觀形式,2020/11/12,11,2020/11/12,12,晶間斷裂a）和穿晶斷裂b）,2020/11/12,13,斷裂機理,脆性斷裂,韌性斷裂,1脆性斷口 2理論斷裂強度 3Griffith裂紋生長理論 4脆性斷裂的位錯理論,1變溫引起的韌-脆轉(zhuǎn)變 2環(huán)境引起的韌-脆轉(zhuǎn)變 3影響韌脆轉(zhuǎn)變的因素,脆性-韌性轉(zhuǎn)變,1韌性斷口 2微孔成核、長大和聚合 3影響韌性斷裂擴展的因素,2020/11/12,14,6.1.3 脆性

4、斷裂,根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯的塑性變形，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。通常以單向拉伸時的斷面收縮率大于5%者為韌性斷裂，而小于5%者為脆性斷裂。 脆性斷裂在斷面外觀上沒有明顯的塑性變形跡象，直接由彈性變形狀態(tài)過渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊。,2020/11/12,15,在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。 在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況： 一是裂紋沿解理面橫穿晶粒的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；若晶粒較粗，則可以看到許多強烈反光的小平面(或稱刻面)，這些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶狀斷口。 二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀。,資料： 所謂解理面

5、，一般都是晶面指數(shù)比較低的晶面，如體心立方的（100）面。,2020/11/12,16,解理斷裂成因：原子間結(jié)合鍵遭到破壞，沿表面能最小、低指數(shù)的晶面（解理面）劈開而成。,解理斷裂特點： （1）斷口呈河流，扇形或羽毛狀花樣，如圖示 螺型位錯穿過解理面，遇到第二個螺位錯，產(chǎn)生臺階。 （2）舌狀花樣，如圖示 解理裂紋與孿晶相遇時，便沿孿晶面發(fā)生局部二次解理，二次解理面與主解理面之間的連接部分斷裂，形成舌狀花樣,2020/11/12,17,沿晶斷裂特點：在斷面上可看到晶粒輪廓線或多邊體晶粒的截面圖，如圖示。有時仍可看到河流或扇形花樣。,沿晶斷裂成因：晶粒邊界的結(jié)合強度遠比晶內(nèi)要低，脆性裂紋就會擇優(yōu)在

6、晶界形核，并沿晶界擴展。,晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相 微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚 由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應力腐 蝕、應力和高溫的復合作用在晶界造成損傷。,2020/11/12,18,理論斷裂強度,理論斷裂強度是指完整晶體在正應力作用下沿其一晶面拉斷的強度。如圖所示，此強度就是兩相鄰原子面在拉應力s作用下克服原子間鍵合力作用，使原子面分開的應力。,2020/11/12,19,由外力抵抗原子間結(jié)合力所做的功等于產(chǎn)生斷裂新表面的表面能，可以求得理論斷裂強度為： 式中 a斷裂面間的原子間距； g表面能； E彈性模量。,2020/11/12,20,對于鐵，可以估算理論斷裂強度smE/

7、10。這個數(shù)值是很高的，實際的斷裂強度比這個值低很多，只是它的1/1001/1000。只有毫無缺陷的晶須才能近似達到理論斷裂強度。這一懸殊差別的存在，是因為材料內(nèi)部存在有各種缺陷的緣故。,2020/11/12,21,Griffith裂紋生長理論,為了解釋實際斷裂強度和理論斷裂強度的差別，早在1920年就提出了這樣的設想：由于材料中已有現(xiàn)成裂紋存在，在裂紋尖端會引起強大的應力集中。在外加平均應力小于理論斷裂強度時，裂紋尖端已達到理論斷裂強度，因而引起裂紋的急劇擴展，使實際斷裂強度大為降低。由于裂紋長度的不同，所引起應力集中的程度也不同，對于一定尺寸的裂紋就有一個臨界應力sc。當外加應力超過sc時

8、，裂紋才迅速擴大，導致斷裂。,2020/11/12,22,Griffith從能量條件導出了臨界應力sc值的大小。此能量條件為：裂紋擴展所降低的彈性能恰好足以供給表面能的增加。由此求得裂紋擴展的臨界應力為： 此式即為Griffith公式，它表明了裂紋傳播的臨界應力sc和裂紋長度C的平方根成反比。,2020/11/12,23,Griffith公式與理論斷裂強度公式比較，可知 Griffith公式的物理意義在于：裂紋兩端所引起的應力集中，相當將外力放大了(C/a)1/2倍，使局部區(qū)域達到了理論斷裂強度sm，而導致斷裂?；蛘哒f，當裂紋兩端的應力集中程度是外力應力的(C/a)1/2倍時，裂紋兩端的應力便

9、達到了理論斷裂強度sm ，從而導致斷裂。由此可見， Griffith理論可以說明實際斷裂強度和理論斷裂強度間的差異。,2020/11/12,24,裂紋形核脆性斷裂的位錯理論,金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來自兩個方面： 一是材料內(nèi)部原有的，如實際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷； 二是在塑性變形過程中，由于位錯的運動和塞積等原因而使裂紋形核。 隨著變形的發(fā)展導致裂紋不斷長大，當裂紋長大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴展，直至最終斷裂。,2020/11/12,25,位錯塞積理論 位錯反應理論 位錯墻側(cè)移理論 位錯銷毀理論,2020/11/12,26,位錯塞積理論,位錯在運動過程中，遇到

10、了障礙（如晶界、相界面等）而被塞積，在位錯塞積群前端就會引起應力集中，若外加切應力為t，塞積位錯個數(shù)為n，此處應力集中為nt，這就說明此處的應力集中比外加切應力大n倍，塞積位錯越多，應力集中程度越大。當此應力大于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時，就會在界面或脆性相中形成裂紋核。,2020/11/12,27,位錯塞積引起裂口胚芽示意圖,2020/11/12,28,位錯反應理論,在相交的滑移面上，由于位錯反應發(fā)生了同號位錯的聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯相遇反應的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的001刃型位錯，刃型位錯的合并即是體心立方的解理面（001）面上形成解理裂紋。,

11、2020/11/12,29,位錯反應形成裂紋示意圖,2020/11/12,30,位錯墻側(cè)移理論,由于刃型位錯的垂直排列構(gòu)成了位錯墻。同時引起了滑移面的彎折。當在適當?shù)耐饬ψ饔孟?，晶體發(fā)生滑移，就會使位錯墻發(fā)生側(cè)移，而促使裂紋在滑移面上生成。這一理論可以說明，密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因。有人已觀察到，在鋅中由于滑移面的彎折所形成的裂紋。,2020/11/12,31,位錯墻側(cè)移使裂口形核,2020/11/12,32,位錯銷毀理論,在兩個相距為h的平行滑移面上，存在有異號刃型位錯。在外力作用下位錯發(fā)生相對運動，若h10個原子間距時，它們相互接近后，就會彼此合并而消毀。此時便在中心處形成小孔隙，隨

12、著滑移的進行，孔隙逐漸擴大，形成長條形空洞。當兩排位錯數(shù)目不等時，多余位錯并入空洞，會引起強大的應力集中，而形成斷裂源。,2020/11/12,33,由不同號刃型位錯群消毀而形成裂口胚芽的示意圖,2020/11/12,34,6.1.5 韌性斷裂,韌性斷裂在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖維狀，灰暗無光。 韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界處有夾雜物或沉淀物聚集，則也會發(fā)生晶間斷裂。,2020/11/12,35,某些單晶體,高純金屬多晶體,拉伸時可沿滑移面分離而導致剪切斷裂，如圖 (a)所示。這種韌斷過程和空洞的形核長大無關，故在斷口上看不到韌窩。,拉伸產(chǎn)生縮頸后，試樣中心三向應力區(qū)空洞

13、不能形核長大，故通過不斷縮頸使試樣變得很細(圓柱試樣或薄板試樣)，最終斷裂時斷口接近一個點或一條線，如圖(b)所示。,2020/11/12,36,韌性斷口杯錐狀宏觀斷口,光滑圓柱拉伸試樣,放射區(qū),纖維區(qū),剪切唇,斷口呈纖維狀，如圖示,材料屈服后就會出現(xiàn)縮頸，由于應力集中，導致空洞在夾雜或第二相邊界處形核、長大和連接。在試樣中心形成很多小裂紋，它們擴展并互相連接就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。中心裂紋向四周放射狀的快速擴展就形成效射區(qū)。當裂紋快速擴展到試樣表面附近時，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)槠矫鎽顟B(tài)，從而剩余的表面部分剪切斷裂，斷裂面沿最大剪應力面，故和拉伸軸成45的剪切唇。,2020/11/12

14、,37,韌性斷口韌窩斷口,空洞形核、長大并連接就導致韌斷，在斷口上就顯示出韌窩結(jié)構(gòu),實際材料存在夾雜、碳化物或第二相，空洞擇優(yōu)在這些粒子處形核。微空洞也可在基體上形核。,成核粒子的大小及分布,應力大小、溫度、變形速度等外界因素,材料的形變能力,一般說來，韌窩斷口是韌斷的標志，但也有例外。例如A1-Fe-Mo以及含SiC的A1合金，斷裂應變很小，屬于脆斷，但微觀斷口由韌窩構(gòu)成。,2020/11/12,38,微孔成核、長大和聚合,微孔成核,很脆的夾雜物,本身堅實與基體結(jié)合牢的強化相,在不大的應力作用下，夾雜物粒子便與基體脫開，或本身裂開而成為微孔,是位錯塞積引起的應力集中，或在高應變條件下，第二相

15、與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。,第二相粒子,2020/11/12,39,微孔長大,位錯源不斷激發(fā)新的位錯，新的位錯并入微孔，微孔就不斷長大,位錯線運動遇到第二相質(zhì)點時，在其周圍形成位錯環(huán)，圖 (a),位錯長大模型,2020/11/12,40,微孔聚合,裂紋尖端與微孔、微孔與微孔間產(chǎn)生局部滑移,局部變形量大，產(chǎn)生了快速剪切裂開。微孔聚合速度快，消耗的能量也較少，所以韌性差。,正常聚合,過程,微孔長大后出現(xiàn) “內(nèi)頸縮”，使承載面積減少而應力增加，起了“幾何軟化”作用。促進變形的進一步發(fā)展，加速微孔的長大，直至聚合。在較大應力下，微孔繼續(xù)長大，直至其邊緣連在一起，聚合成裂紋。,變形均勻的，速度較慢，消耗的能量較多，韌性較好?；w的形變強化指數(shù)越高，微孔長大直至聚合的過程越慢，韌性越好。,特點,2020/11/12,41,影響韌性斷裂擴展的因素,第二相粒子 隨第二相體積分數(shù)的增加，鋼的韌性都下降，硫化物比碳化物的影響要明顯得多。同時碳化物形狀也對斷裂應變有很大影響，球狀的要比片狀的好得多。,2020/11/12,42,基體的形變強化 基體的形變強化指數(shù)越大，塑性變形后的強化越強烈，變形更均勻。微孔長大后的聚合，將按正常模式進行，韌性好。相反地，如果基體的形變強化指數(shù)小，變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開，韌性低。,2020/11/12,43,韌性斷裂的特點,韌性斷裂前