《論金屬的斷裂》word版

1、論述金屬的斷裂成型二班 金屬在外加載荷的作用下，當(dāng)應(yīng)力達到材料的斷裂強度時，發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。機件的三種主要失效形式是磨損、腐蝕和斷裂。其中斷裂的危害最大。一、斷裂的分類 根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴散的情況不同。 韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，脆性斷裂在斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，沒有明顯征兆，因而危害性很大。 韌性斷裂和脆性斷裂只是相對的

2、概念，在實際載荷下，不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、環(huán)境等條件的不同，會出現(xiàn)不同的斷裂。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5為脆性斷裂；大于5為韌性斷裂。可見，金屬材料的韌性與脆性是依據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的，隨著條件的改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。 按斷裂機制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類。解理斷裂是金屬材料在一定條件下（如體心立方金屬、密排六方金屬與合金處于低溫、沖擊載荷作用），當(dāng)外加正應(yīng)力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面的穿晶斷裂。解理面一般是低指數(shù)或表面能最低的晶面。對于面心立方金屬來說，在一般情

3、況下不發(fā)生解理斷裂，但面心立方金屬在非?？量痰沫h(huán)境條件下也可能產(chǎn)生解理破壞。 剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，它又分為滑斷（又稱切離或純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬常發(fā)生滑斷斷裂；鋼鐵等工程材料多發(fā)生微孔聚集型斷裂，如低碳鋼拉伸所致的斷裂即為這種斷裂，是一種典型的韌性斷裂。二、拉伸斷口分析 斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因，擴散的途徑，擴散過程及影響裂紋擴散的各內(nèi)外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進構(gòu)件設(shè)計、提高材料性能、改善制作工藝提供依據(jù)。斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分

4、析。 斷口三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇。纖維區(qū)：呈暗灰色，無金屬光澤，表面粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。放射區(qū)：宏觀特征是表面呈結(jié)晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。剪切唇：宏觀特征是表面光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。三、斷裂強度的裂紋理論和格雷菲斯公式： 斷裂強度的裂紋理論：格雷菲斯認(rèn)為實際材料中總存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近就會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達到一定程度時，裂紋就開始擴展而導(dǎo)致斷裂。這就是著名的格雷菲斯微裂紋理論。 根據(jù)格雷菲斯微裂紋理論可知，斷裂并不

5、是兩部分晶體同時沿整個界面拉斷，而是裂紋擴展的結(jié)果 格雷菲斯公式：（1）對長為2a 的中心穿透裂紋計算所得的斷裂應(yīng)力公式。（2）對長為a 的表面半橢圓裂紋也適用，此時式中的a即為裂紋長度。 只適用于脆性固體，如玻璃、金剛石、超高強度鋼等，即那些裂紋尖端無塑性變形情況。對工程用金屬材料（鋼）：裂紋尖端產(chǎn)生較大塑性變形，要消耗大量塑性變形功，其值遠(yuǎn)比表面能大，為此格雷菲斯公式需要進行修正。四、脆性斷裂的條件（1）溫度 任何一種斷裂都具有兩個強度指標(biāo)，屈服強度和表征裂紋失穩(wěn)擴散的臨界斷裂強度。溫度高，原子運動熱能大，位錯源釋放出位錯，移動吸收能量；溫度低反之。（2）缺陷 材料韌性 裂紋尖端應(yīng)力大，韌

6、性好發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，限制裂紋進一步擴散。裂紋長度 裂紋越長，越容易發(fā)生脆性斷裂。缺陷尖銳程度 越尖銳，越容易發(fā)生脆性斷裂。（3）厚度 鋼板越厚，沖擊韌性越低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。原因：1）越厚，在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大，使約束應(yīng)力增加，在鋼板厚度范圍內(nèi)形成平面應(yīng)變狀態(tài)。2）冶金效應(yīng)，厚板中晶粒較粗大，內(nèi)部產(chǎn)生的偏析較多。（4）加載速度 低強度鋼，速度越快，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。6 防止金屬脆性斷裂失效的途徑(1）材料的設(shè)計 防止脆性斷裂應(yīng)控制下列因素來進行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，即材料的斷裂韌性水平、構(gòu)件的工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)、載荷類型及環(huán)境因素等。溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之

7、一，設(shè)計者必須考慮使構(gòu)件的工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。若所設(shè)計的構(gòu)件工作溫度低于Tc時，則必須降低設(shè)計應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會發(fā)生裂紋的擴展。若其設(shè)計應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料，選擇韌性更高，Tc更低的材料。在選擇材料時，應(yīng)保證材料具有良好的強韌性，良好的工藝性能。 從減少構(gòu)件脆性斷裂上，在進行構(gòu)件設(shè)計時，應(yīng)使缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)力集中減少到最低限度，如減少尖角及結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性，合理布置焊縫的位置。冶金生產(chǎn)方面要減少鋼中的夾雜物、氣孔及鋼材的表面缺陷。結(jié)構(gòu)加工后不應(yīng)存在缺口、凹槽、過深的刀痕等缺陷。焊接時要防止裂紋、焊瘤、未焊透等缺陷，減小和消除鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，尤其在條件允許的情

8、況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量消除焊接殘余應(yīng)力，這對于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。（2 )調(diào)整化學(xué)成分 鋼的化學(xué)成分中的有益元素含量在合金設(shè)計中應(yīng)給以重視，而C、N、H、O、P等有害夾雜含量增加均會提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性，所以應(yīng)減少其含量。要對脆斷事故進行分析，首先應(yīng)該要看是否含量超標(biāo)，不超標(biāo)時也要考慮合金配比是否合適，因為成分落在牌號規(guī)范內(nèi)，但配比不合適（如Mn/C比），其工藝性能或使用性能上達不到要求并引起失效的事例是很多的，如在設(shè)計鋼的成分時應(yīng)盡可能地控制一些對鋼的回火脆性影響較大元素的配比，使鋼的回火脆性不致過大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鉬和鎢，對回火脆性敏感性較大的鉻鎳鋼，

9、鉻錳鋼、硅錳鋼、鉻釩鋼等加鉬便是如此。 鎳被認(rèn)為是降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度作用最大的元素。低碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度因鎳量增加而降低，淬火后低溫回火的鎳鋼含4.5%鎳，高溫回火的鋼含2.5鎳時，脆性轉(zhuǎn)變溫度可降到最低。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，銅的作用與鎳相似。 錳對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響因含量不同而異。低碳鋼含錳在1.5以下時可使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，所以，降碳增錳可以減少鋼中的碳化物、細(xì)化晶粒，有利于低碳鋼獲得較高的低溫沖擊韌性，但含錳高時又使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。此外，鋼中偏析、夾雜物。白點、微裂紋等缺陷越多，韌性越低。 綜上所述，碳、氮、磷。硅等元素增大鋼的冷脆性傾向，鎳、少量錳、銅等元素有利于鋼獲得較高的低

10、溫沖擊韌性。由于合金元素對鋼的冷脆性的影響很復(fù)雜，加之還要受其他方面因素的影響，還需具體分折。總之，調(diào)整合金元素，降低雜質(zhì)含量，提高鋼的純凈度是降低材料脆斷的有效途徑。(3) 細(xì)化晶粒 細(xì)化晶粒是控制材料韌性避免脆斷的重要手段。粗晶粒的鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度較細(xì)晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可較細(xì)晶粒的鋼高40。細(xì)晶粒強化符合Hall-Petch關(guān)系，當(dāng)晶粒越細(xì)，晶界面積就越大，晶界對位錯運動的阻礙也越大，從而使強度升高。此外，晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在同樣變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形較均勻，相對來說引起應(yīng)力集中減小，使材料在斷裂之前能承受較大的變形量，因而有較好的塑性；又因為晶粒越細(xì)，晶界的曲折越多，