第12講斷裂影響因素及現(xiàn)象分析

1、金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第十二講第十二講Lesson Twelve斷裂影響因素及現(xiàn)象分析斷裂影響因素及現(xiàn)象分析2022-5-12第六章 金屬的斷裂主要內容Main Content 斷裂的基本類型及物理本質 影響斷裂類型的因素 塑性加工中的斷裂現(xiàn)象分析2022-5-136.2 影響斷裂類型的因素影響斷裂類型的因素 塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，象金屬鎢，塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，象金屬鎢，雖在室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑雖在室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時為脆性的金屬，在高靜水壓下卻呈現(xiàn)性

2、。在拉伸時為脆性的金屬，在高靜水壓下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時卻可能變得很脆。所以，金屬低溫、高變形速度時卻可能變得很脆。所以，金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內在因素和是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內在因素和外在條件。因此，對塑性加工來說，很有必要了解外在條件。因此，對塑性加工來說，很有必要了解塑性脆性轉變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性脆性轉變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性提高方面轉化。塑性提高方面轉化。2022-5-14影響塑性脆性轉變的主要因素影響塑性脆性轉變的主要因素 變形溫度變形溫

3、度 變形速度變形速度 應力狀態(tài)應力狀態(tài) 組織結構組織結構 2022-5-15 變形溫度變形溫度 大多數(shù)金屬材料大多數(shù)金屬材料(除面心立方以外除面心立方以外)的變形中有一個的變形中有一個重要的現(xiàn)象：隨著變形溫度的改變都有一個從韌性重要的現(xiàn)象：隨著變形溫度的改變都有一個從韌性斷裂到脆性斷裂的轉變溫度，稱此溫度為脆性轉變斷裂到脆性斷裂的轉變溫度，稱此溫度為脆性轉變溫度，常以溫度，常以Tc來表示。來表示。在此溫度以上是韌性斷裂，在此溫度以上是韌性斷裂，在此溫度以下是脆性斷裂。在此溫度以下是脆性斷裂。 對一定材料來說，脆性轉變溫度越高，表征該材料對一定材料來說，脆性轉變溫度越高，表征該材料脆性趨勢愈大。

4、脆性趨勢愈大。 2022-5-16 如果變形溫度不變，改變其他參數(shù)，如晶粒度，變形速度，如果變形溫度不變，改變其他參數(shù)，如晶粒度，變形速度，應力狀態(tài)等，同樣也會出現(xiàn)塑性脆性轉變現(xiàn)象。應力狀態(tài)等，同樣也會出現(xiàn)塑性脆性轉變現(xiàn)象。 對這種現(xiàn)象的解釋，可以認為斷裂應力對這種現(xiàn)象的解釋，可以認為斷裂應力s sf對溫度不夠敏感，對溫度不夠敏感，熱激活對脆性裂紋的傳播不起多大作用，但屈服強度熱激活對脆性裂紋的傳播不起多大作用，但屈服強度s ss卻隨卻隨溫度變化很大，溫度越低，溫度變化很大，溫度越低，s ss越高。將越高。將s ss與與s sf對溫度作圖，對溫度作圖，則兩條曲線的交點所對應的溫度就是則兩條曲線

5、的交點所對應的溫度就是Tc。當。當T Tc時，時， s sf s ss ，此時材料要經(jīng)過一段塑性變形后才能斷裂，故表現(xiàn)，此時材料要經(jīng)過一段塑性變形后才能斷裂，故表現(xiàn)為韌性斷裂；在為韌性斷裂；在T Tc 時，時， s sf s ss ，此時材料未來得及塑，此時材料未來得及塑性變形就已經(jīng)發(fā)生斷裂，則表現(xiàn)為脆性斷裂。性變形就已經(jīng)發(fā)生斷裂，則表現(xiàn)為脆性斷裂。2022-5-17s sf 和和 s ss與溫度的關系與溫度的關系2022-5-18 變形速度變形速度 變形速度的影響與變形溫度類同，由于變形速度的變形速度的影響與變形溫度類同，由于變形速度的提高，塑性變形來不及進行而使提高，塑性變形來不及進行而使

6、s ss增高，但變形速增高，但變形速度對斷裂抗力度對斷裂抗力s sf影響不大。所以在一定的條件下，影響不大。所以在一定的條件下，就可以得到一個臨介變形速度就可以得到一個臨介變形速度e ec，高于此值便產(chǎn)生，高于此值便產(chǎn)生脆性斷裂。變形速度的提高相當于變形溫度降低的脆性斷裂。變形速度的提高相當于變形溫度降低的效果。效果。 2022-5-19 應力狀態(tài)應力狀態(tài) 應力狀態(tài)對塑性脆性轉變的影響，可采用不同深應力狀態(tài)對塑性脆性轉變的影響，可采用不同深度缺口的拉伸試樣來進行。缺口越深越尖銳三向拉度缺口的拉伸試樣來進行。缺口越深越尖銳三向拉應力狀態(tài)越強。試驗表明，拉應力狀態(tài)越強，材料應力狀態(tài)越強。試驗表明，

7、拉應力狀態(tài)越強，材料的脆性轉變溫度越高，脆性趨勢越大。的脆性轉變溫度越高，脆性趨勢越大。2022-5-110 切口的試樣比無缺口試樣切口的試樣比無缺口試樣的脆性轉變溫度有明顯提的脆性轉變溫度有明顯提高。沖擊彎曲由于變形速高。沖擊彎曲由于變形速度極快引起度極快引起s ss提高，所以提高，所以與靜彎曲（與靜彎曲（B）相比脆性）相比脆性轉變溫度也明顯提高。轉變溫度也明顯提高。 由此可見，金屬材料變形時的拉應力狀態(tài)越強，由此可見，金屬材料變形時的拉應力狀態(tài)越強，變形速度越高，材料的脆化傾向越大。變形速度越高，材料的脆化傾向越大。2022-5-111 金屬材料的化學成份和組織狀態(tài)金屬材料的化學成份和組織

8、狀態(tài) 不同含碳量對鋼的沖擊韌性的影響。隨著含碳量的不同含碳量對鋼的沖擊韌性的影響。隨著含碳量的增加，沖擊韌性明顯降低，而且脆性轉變溫度上升，增加，沖擊韌性明顯降低，而且脆性轉變溫度上升，所以為避免低溫脆性多選用含碳量低于所以為避免低溫脆性多選用含碳量低于0.2以下以下的鋼。的鋼。2022-5-112 添加添加Mn或或Ni可以有效可以有效地降低轉變溫度。因為地降低轉變溫度。因為兩者都能使晶粒細化，兩者都能使晶粒細化，此外此外Mn還能抑制碳化還能抑制碳化物沿晶界析出；物沿晶界析出；Ni能促能促使位錯產(chǎn)生交滑移避免使位錯產(chǎn)生交滑移避免應力集中，這些都有助應力集中，這些都有助于轉變溫度的降低。于轉變溫

9、度的降低。低碳鋼的斷裂應力和屈服應力與晶低碳鋼的斷裂應力和屈服應力與晶粒大小的關系粒大小的關系2022-5-113 鋼材經(jīng)淬火后高溫鋼材經(jīng)淬火后高溫調質處理得到索氏調質處理得到索氏體組織，這對降低體組織，這對降低脆性轉變溫度是極脆性轉變溫度是極為有效的。為有效的。 圖中表明調質鋼與圖中表明調質鋼與正火鋼和熱軋鋼相正火鋼和熱軋鋼相比，脆性轉變溫度比，脆性轉變溫度明顯降低。明顯降低。2022-5-1146.3 塑性加工中的斷裂現(xiàn)象分析塑性加工中的斷裂現(xiàn)象分析 塑性加工中的斷裂除因鑄錠質量差（如鑄造時產(chǎn)生塑性加工中的斷裂除因鑄錠質量差（如鑄造時產(chǎn)生的疏松、裂紋、偏析和粗大晶粒等）和加熱質量不的疏松、

10、裂紋、偏析和粗大晶粒等）和加熱質量不良所造成過熱、過燒的原因外，絕大多數(shù)的斷裂是良所造成過熱、過燒的原因外，絕大多數(shù)的斷裂是屬于不均勻變形所造成的。屬于不均勻變形所造成的。 在生產(chǎn)中因工藝條件和操作上的不合理，會發(fā)生各在生產(chǎn)中因工藝條件和操作上的不合理，會發(fā)生各種斷裂。因此，應結合具體金屬的塑性加工工藝過種斷裂。因此，應結合具體金屬的塑性加工工藝過程和斷裂現(xiàn)象，分析其斷裂原因，進而找出防止斷程和斷裂現(xiàn)象，分析其斷裂原因，進而找出防止斷裂的措施。裂的措施。2022-5-115 鍛造時的斷裂鍛造時的斷裂 軋制時的斷裂軋制時的斷裂 擠壓拉拔時的斷裂擠壓拉拔時的斷裂2022-5-1166.3.1 鍛造

11、時的斷裂鍛造時的斷裂 鍛造時的表面開裂鍛造時的表面開裂 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-5-1172022-5-118 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 自由鐓粗塑性較低的金屬餅材時，由于錘頭端面對自由鐓粗塑性較低的金屬餅材時，由于錘頭端面對鐓粗件表面摩擦力的影響，形成單鼓形，使其側面鐓粗件表面摩擦力的影響，形成單鼓形，使其側面周向承受拉應力。周向承受拉應力。 當鍛造溫度過高時，由于晶間結合力大大減弱，常當鍛造溫度過高時，由于晶間結合力大大減弱，常出現(xiàn)晶間斷裂，且裂紋方向與周向拉應力垂直出現(xiàn)晶間斷裂，且裂紋方向與周向拉應力垂直(圖圖a)。當鍛造溫度較低時，晶間強度常高于晶內強度，便當鍛造溫度較低時，晶間強度常高于晶內強度，

12、便出現(xiàn)穿晶斷裂。由于剪應力引起的其裂紋方向常與出現(xiàn)穿晶斷裂。由于剪應力引起的其裂紋方向常與最大主應力成最大主應力成45角角(圖圖b)。2022-5-119 防止或減輕措施防止或減輕措施 (1)減少工件與工具間的接觸摩擦，提高接觸表面的減少工件與工具間的接觸摩擦，提高接觸表面的光潔度，采用適當高效能的潤滑劑；光潔度，采用適當高效能的潤滑劑； (2)采用凹形模：鍛造時，由于模壁對工件的橫向壓采用凹形模：鍛造時，由于模壁對工件的橫向壓縮，使周向拉應力減少?？s，使周向拉應力減少。 (3)采用軟墊采用軟墊 (4)采用活動套環(huán)和包套采用活動套環(huán)和包套2022-5-120用活動套環(huán)用活動套環(huán)(a)和和包套包

13、套(b)鐓粗鐓粗加軟墊的鐓粗情況加軟墊的鐓粗情況2022-5-121包套鐓粗包套鐓粗2022-5-122 鍛造時的內部裂紋鍛造時的內部裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-5-123 產(chǎn)生原因對角十字橫裂對角十字橫裂2022-5-124方形件鍛壓延伸變形圖示方形件鍛壓延伸變形圖示2022-5-125鍛壓圓坯時產(chǎn)生的十字橫裂鍛壓圓坯時產(chǎn)生的十字橫裂2022-5-126改變工具形狀以減小鍛壓內裂改變工具形狀以減小鍛壓內裂2022-5-1276.3.2 軋制時的斷裂軋制時的斷裂 軋板時的表面開裂軋板時的表面開裂 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-5-128凹形軋輥軋制平板時的裂紋凹形軋輥軋制平板時的裂紋2022-5-129 為避

14、免上述斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，首先是要有適為避免上述斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，首先是要有適宜的良好輥型和坯料尺寸形狀。其次是制定宜的良好輥型和坯料尺寸形狀。其次是制定合理的軋制工藝規(guī)程合理的軋制工藝規(guī)程(壓下量控制、張力調整、壓下量控制、張力調整、潤滑適宜等等潤滑適宜等等)。2022-5-130 軋制時內部裂紋軋制時內部裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-5-131厚件軋制變形及縱向附加應力的分布情況厚件軋制變形及縱向附加應力的分布情況2022-5-1326.3.3 擠壓拉拔時的斷裂擠壓拉拔時的斷裂 表面裂紋表面裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-5-133拉拔時金屬表面的裂紋拉拔時金屬表面的裂紋2022-5-134 無論擠壓與拉拔，減少摩擦阻力，會使金屬流動不無論擠壓與拉拔，減少摩擦阻力，會使金屬流動不均勻性減輕，從而可以防止裂紋的產(chǎn)生。均勻性減輕，從而可以防止裂紋的產(chǎn)生。 防止裂紋的有效方法是加強潤滑，例如鋁合金熱擠防止裂紋的有效方法是加強潤滑，例如鋁合金熱擠壓采用油石墨潤滑劑，鋼熱擠時采用玻璃作潤滑壓采用油石墨潤滑劑，鋼熱擠時采用玻璃作潤滑劑。因為影響摩擦力的因素除了摩擦系數(shù)以外，還劑。因為影響摩擦力的因素除了摩擦系數(shù)以外，還有垂直壓力和接觸面積的影響；對擠壓和拉拔來說有垂直壓力和接觸面積的影響；對擠壓和拉拔來說還可以采用反向擠壓、反張力拉拔，輥式模拉伸等還