第4章 金屬在加工中的斷裂

4金屬在加工中的斷裂§4.1斷裂的物理本質(zhì)§4.2塑性加工中的斷裂基本知識點：斷裂的基本類型，脆性斷裂、延性斷裂的定義；裂紋的生成和發(fā)展的基本理論。重點：延性斷裂的發(fā)展過程，墩粗餅材時側(cè)面的斷裂；鍛壓或拔長時的內(nèi)部縱裂；擠壓和拉拔時的主要斷裂。難點：Griffith裂口理論；墩粗餅材時側(cè)面的斷裂；鍛壓或拔長時的內(nèi)部縱裂；鍛壓或延伸時產(chǎn)生的內(nèi)部橫裂；擠壓和拉拔時的主要斷裂?！?.1斷裂的物理本質(zhì)斷裂的基本類型：脆性和延性斷裂；裂縫的生成和發(fā)展：裂口理論.1斷裂的基本類型按斷裂前的塑性變形的大小分：延性斷裂，脆性斷裂。延性斷裂（或稱韌性斷裂）：單向拉伸時，延伸率大于5%；起因：多為切（剪）應力引起，沿滑移面發(fā)生滑移變形而破壞，出現(xiàn)細頸現(xiàn)象。特征：斷裂前有明顯的塑變，斷面灰暗，有纖維狀條紋，宏觀外貌不整齊。拉伸時，裂口多呈杯錐狀。脆性斷裂：單向拉伸時，延伸率小于5%；

起因：多為正應力引起，沿垂直于應力方向的原子面撕裂。

特征：斷裂前基本上不產(chǎn)生塑變，斷面光亮，為解理面。圖4－1從微觀的原子論看斷裂的兩種形式（a）脆性斷裂（正斷）；（b）延性斷裂（切斷）從微觀學的角度來看，斷裂可分成：沿滑移面發(fā)生滑移變形而破壞，后果為延性斷裂；沿垂直于應力方向的原子面撕裂，后果為脆性斷裂；圖4－2α鐵（體心立方晶格）的解理面（晶面指數(shù)比較低的晶面

）

（a）解理面；(b)滑移面圖4-3杯錐狀斷口（a）杯錐形斷口；(b)雙杯錐形斷口按裂紋發(fā)展的途徑分：穿晶斷裂和沿晶界的晶間斷裂（裂紋總是沿原子鍵結(jié)合力最薄弱的面進行）。穿晶斷裂：沿解理面的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；沿晶界的晶間斷裂：斷口呈顆粒狀。起因：通常與晶界上的脆化因素（例如沉淀相的析出、雜質(zhì)和溶質(zhì)原子的偏聚等）有關。圖4-4（a）穿晶斷裂；(b)晶間斷裂脆性斷裂的破斷面和拉應力接近于正交，斷口平齊（圖4-5a），延性斷裂，主要表現(xiàn)為穿晶斷裂，而延性的晶間斷裂，只有在高溫下金屬發(fā)生蠕變時才能見到。延性斷裂的具體表現(xiàn)形式有以下幾種：一種是切變斷裂，例如密排六方金屬單晶體，其斷面就是滑移面（圖4-5b）；延性斷裂的另一種是在塑性變形后出現(xiàn)細頸，一些塑性非常好的材料（如金、鉛、鐵的單晶體等），斷面收縮率幾乎達到100％，可以拉縮成一點才斷開（圖4-5c）；對于一般的金屬，斷裂由試樣中心才開始，然后沿圖4-5（d）所示的虛線斷開，形成杯錐狀斷口。圖4-5（e）所示的為平面斷口，幾乎未產(chǎn)生局部收縮，斷面收縮率較小，高碳鋼那樣的較脆材料延性斷裂時常見到這種情況。還應指出，產(chǎn)生杯錐狀斷口和平面斷口的延性斷裂，在破斷面上呈灰色，由肉眼可看到纖維狀，故稱為纖維斷口。圖4－5金屬試樣拉伸時的斷裂類型2裂縫的生成和發(fā)展2）裂口的成核機制

關于裂口成核機制，從位錯理論出發(fā)，人們曾提出過多種設想，通常都是假定在應力作用下刃型位錯的合并可以構(gòu)成裂口的胚芽（圖4－6）。圖4－6同號刃型位錯合并成裂口的胚芽3）延性斷裂杯錐斷裂的發(fā)生過程。圖4－7示出了延性斷裂發(fā)展的各個階段。拉伸變形中，當加工硬化所引起的強度增加不足以補償斷面收縮的效應時，就產(chǎn)生了細頸，出現(xiàn)三向拉應力狀態(tài)（圖4－7a）。由于細頸中央在三向拉應力作用下開始出現(xiàn)許多小的空洞（圖4－7b）。圖4－7標準斷裂（杯錐型）過程4）斷裂的發(fā)展

物體在塑性變形中出現(xiàn)裂口（或空洞），并不意味著材料已斷裂。從裂口→斷裂是一個發(fā)展的過程。隨塑性變形的發(fā)展，空洞不斷形成與擴大。只有當變形達到某一程度，這些空洞結(jié)合一起→斷裂。物體受到破壞的同時，還存在著破壞的修復過程，其最終的結(jié)果，取決于它們進行的速度。若修復速度大于破壞胚芽的形成速度，則變形任一時刻發(fā)生的顯微破壞都能得到修復，則不會破壞，這種情況是粘性體和不破壞的塑性體所有的。若破壞的形成和發(fā)展速度很大而其修復速度很小時，就會出現(xiàn)另一種情況：破壞發(fā)展非?？?，以致塑性變形來不及發(fā)生，使物體破壞時沒有明顯的塑性變形標志。若修復速度小于亞顯微破壞的胚芽形成速度，破壞就會不斷發(fā)展和積累起來，經(jīng)顯微組織破壞，宏觀破壞，最后達到某一變形程度時，物體就會發(fā)生斷裂。繼續(xù)拉伸時，這些空洞逐漸匯集成小裂口（圖6－7c）。裂口沿垂直于拉伸方向發(fā)展，直到接近于試樣表面（圖4－7d）。然后沿著局部應力集中的切變形平面（與拉伸軸成45°）傳播，最后形成杯錐狀斷口的錐面部分（圖4－7e）?？梢?，延性斷裂發(fā)源于小的空洞地方。這些空洞除了因位錯塞積時在基體上發(fā)生顯微裂紋而引起外，空洞主要是在析出物、夾雜物等第二相粒子的地方發(fā)生，這可由金屬純度提高空洞數(shù)量減小、斷面收縮率增加的事實得到證明。§4.2塑性加工中的斷裂1鐓粗餅材時側(cè)面的縱裂鐓粗塑性較低的鋼與合金餅材時，常出現(xiàn)如圖4－8（a）、（b）所示的側(cè)面縱裂。產(chǎn)生這種裂紋的主要原因，是由于在墩粗餅材時中Ⅲ區(qū)的鼓形處受有環(huán)向拉應力所致。在鍛壓溫度過高時，由于晶粒間的強度大大削弱而常常產(chǎn)生由晶粒邊界拉裂，其裂紋和環(huán)向拉應力方向近于垂直（圖4－8a）；當鍛壓溫度較低時，常出現(xiàn)穿晶切斷，其裂紋和環(huán)向拉應力方向接近于成45°角（圖4－8b）。圖4－8鍛壓時斷裂的主要形式圖4－9軋制時斷裂的主要形式常用的措施如下：1）減少工件與工具間的接觸摩擦，一種辦法是提高工具表面的光潔度；還可采用合適的潤滑劑。2）采用軟墊（圖4－10）由于軟墊比工件的變形抗力小，故在壓縮的開始階段軟墊先變形（這時工件也可能有些變形，但比軟墊的小得多），產(chǎn)生強烈的徑向流動。由于軟墊與工件端面間摩擦力的作用，軟墊便拖著工件端面一起向外流動，結(jié)果使工件側(cè)面形成凹形（圖4－10a）。隨著軟墊繼續(xù)受壓縮，軟墊厚度變薄而直徑增大，使其單位變形抗力增加。這時工件便開始顯著經(jīng)受壓縮變形，于是工件側(cè)面的凹形逐漸消失而變成平直（圖4－10b），繼續(xù)壓縮才出現(xiàn)鼓形（圖4－10c）。這樣就會大為減少不均勻變形，因而也就減少了側(cè)面的環(huán)向拉應力。此外，在熱鐓粗時由于采用加熱了的軟墊，還可以減少由于工件端面與工具接觸時而引起的溫降。鐓粗塑性較低的高合金鋼與合金時，常用軟墊做鋼墊。加軟墊鐓粗，不僅可防止因不均勻變形而產(chǎn)生的裂紋，還可使單位壓力大大降低。圖4－10加軟墊鐓粗的情況1—試樣；2—工具；3—軟墊3)活動套環(huán)(圖4－11a)和包套鐓粗(圖4－11b)用活動套環(huán)鐓粗低塑性高合金鋼與合金時，毛坯經(jīng)一定的小變形后與套環(huán)接觸，然后取走墊鐵，使坯料和套環(huán)一起鐓粗，套環(huán)由普通鋼制成，其加熱溫度比坯料低些，使套環(huán)的變形抗力比坯料的大，以便使套環(huán)能對坯料的流動起限制作用，從而增強三向壓應力狀態(tài)，以防止產(chǎn)生裂紋。同理，也可采用如圖4－11（b）所示的包套鐓粗，即把事先包上外套的坯料加熱后，外套和坯料一起鐓粗。鐓粗低塑性的高合金鋼與合金時，用普通鋼做外套，套的外徑可取D=（2~3）d，d是坯料的原始直徑。此外，在熱鐓粗塑性較低的合金鋼與合金時，錘頭和砧鐵應當預熱。坯料表面的缺陷也會促使裂紋的生成，所以在鐓粗前坯料的表面清理是非常重要的。圖4－11用活動套環(huán)（a）和包套(b)鐓粗1—工件；2—外套；3—套環(huán)；4—墊鐵2鍛壓延伸（或拔長）時的內(nèi)部縱裂用平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生的對角十字斷裂（圖4－8c）鍛壓時由于接觸面上外摩擦的作用，在鍛件的橫斷面上按變形程度的不同，可分為三個區(qū)域。靠近接觸面處為難變形區(qū)（圖中A區(qū)）；對角十字區(qū)（圖中之a(chǎn)、b區(qū)）為變形最激烈的區(qū)域。在壓縮時，難變形區(qū)A在垂直方向移動，與此同時，A區(qū)也拖動與它相鄰接的a區(qū)金屬沿箭頭方向移動。由于變形最激烈的橫斷面中部金屬向外流動的結(jié)果，便推動著B區(qū)金屬沿橫向移動，即產(chǎn)生寬展。與此同時，B區(qū)也拖動著與它相鄰接的b區(qū)金屬沿箭頭方向移動。于是，a和b區(qū)的金屬，便在坯料的對角線方向產(chǎn)生激烈的相對錯動。如圖4－12（b）所示，當翻轉(zhuǎn)90°后壓縮時，a、b區(qū)金屬的錯動方向便對調(diào)。這樣，在反復激烈的錯動下，最后便導致從坯料的對角線處開裂。裂口內(nèi)壁是光滑的，也說明裂口是錯裂的。圖4－12在“鍛造十字”區(qū)金屬的流動方向（a）錘頭在A區(qū)壓縮；（b）錘頭在B區(qū)壓縮圖4－13鍛壓延伸時的送進量（l）對于容易產(chǎn)生過燒的鋼與合金，當高速重打時，在變形激烈的對角線處由于溫升過高使之過燒，也容易產(chǎn)生這種開裂。如果坯料斷面中心鋼質(zhì)不好（如鋼錠斷面中心常常是雜質(zhì)聚積、疏松和容易過燒的部位），便首先從中心部產(chǎn)生對角十字裂口（圖4－8c之上圖）；如果坯料角部薄弱，便首先從接近角部的對角線處開裂（圖4－8之c下圖）。在鍛壓延伸時，每次送進量l（為工件與工具的接觸長度，圖4－13）越大，寬展越大（因為送進量增加，由于接觸區(qū)變長，而使縱向摩擦阻力增大，促使金屬向?qū)捪蛄鲃樱?，a、b區(qū)金屬沿對角線方向錯動也加劇，因而也就會促使對角十字開裂。所以，送進量不能過大，但也不能過小（過小則可能產(chǎn)生圖6－8f所示的橫裂），一般取l=(0.6~0.8)h。錘頭鍛壓圓錠（坯）時，和帶外端壓縮高件的情況相類似。這時，假如沒有外端（指接觸區(qū)以外的兩個弓形區(qū)aAb

cCd），則可自由地產(chǎn)生雙鼓變形（圖4－14a中之虛線）。實際上，因為有外端作用而使鼓形受到限制，于是在斷面的中心部分便受到水平拉應力σ2作用（圖4－14b）。在此拉應力作用下，便會產(chǎn)生如圖4－15（a）所示之裂口；當翻鋼90°鍛壓后，便會產(chǎn)生如圖4－15（b）所示的裂口。這樣，在鍛壓坯時，若用平錘頭由圓錠靠翻90°鍛成方坯時，便可能在坯料之中心處產(chǎn)生如圖4－8（d）所示之橫豎十字裂口；若用平錘頭靠旋轉(zhuǎn)鍛造圓坯時，便會在坯料中心處產(chǎn)生如圖4－8（e）所示的孔腔，即不規(guī)則的放射狀裂紋（圖4－15c）。圖4－14用平錘頭鍛壓圓坯的情況圖4－15平錘頭鍛壓圓坯時裂口的形成3.鍛壓延伸及軋制時產(chǎn)生的內(nèi)部橫裂

實驗表明，鍛壓延伸中當送進量l與件厚之比l/h<0.5時，便在斷面中心部產(chǎn)生縱向拉應力（圖4－16a），在此拉應力的作用下便會產(chǎn)生橫裂（圖4－8f）。這種橫裂一般在坯料內(nèi)呈周期性出現(xiàn)，因為裂紋一出現(xiàn)，以前產(chǎn)生的拉應力就解除，然后拉應力再積累，再拉裂等等。若斷面中心處鋼質(zhì)不好和容易產(chǎn)生軸心過燒，更加容易產(chǎn)生裂紋。在一個方向多次錘擊下，這種橫裂有時會擴展到側(cè)表面。對同樣的件厚，增加送進量l可使變形向內(nèi)部深入，減少縱向拉應力（圖4－16b），因此便會防止橫裂。前已述及，送進量也不能過大，否則又會促使產(chǎn)生對角十字裂口。圖4－16方形坯鍛壓延伸變形圖示

（a）窄錘頭（l/h＜0.5）（b）寬錘頭（l/h≥1.0）圖4－17厚件軋制時的變形及附加應力

+—縱向附加拉應力；－—縱向附加壓應力4擠壓和拉拔時產(chǎn)生的主要斷裂擠壓時，在擠壓材的表面常出現(xiàn)如圖4－19（a）所示的斷裂，嚴重時會出現(xiàn)竹節(jié)狀裂口。產(chǎn)生這種裂口有擠壓時金屬的流動特點有關。擠壓時，由于擠壓缸和模孔的摩擦力的阻滯作用，使擠壓件表面向外流動的慢，內(nèi)層流動的快。又受外端作用，。使金屬各層的延伸“拉齊”，于是在擠壓材的外層受縱向附加拉應力。一般說來，此附加應力越趨近于變形區(qū)的出口，其數(shù)值越大（圖4－19c）。如果在a—a截面表層上，由于有較大的附加拉應力作用而使工作應力變?yōu)槔瓚Γ⑶疫_到了實際的斷裂強度時，則在表面上就會發(fā)生向內(nèi)擴展的裂紋，其形狀與金屬通過?？椎乃俣扔嘘P。裂紋的發(fā)生消除了在裂紋范圍以內(nèi)的附加應力，故只有當?shù)谝粭l裂紋的末端K走出a—a線以后停止繼續(xù)擴展，才有因附加拉應力作用再產(chǎn)生第二條裂紋的情形（圖4－19b），依此類推。這樣，就在擠壓材上發(fā)生了一系列周期性的斷裂。當材料表面溫度降低而使其塑性下降的情況下，便更會促使這種斷裂的發(fā)生。圖4－18GCr15鋼在600軋機上軋制時微裂紋與D/h之關系圖4－19擠壓時的斷裂（a）擠壓時的斷裂；（b）擠壓時通過變形區(qū)裂紋的形成（0—裂紋起點；K—裂紋終點；（c）擠壓時縱向應力分布圖（1—附加應力；2—基本應力；3—工作應力）圖4－20拉拔時的斷裂

（a）拉拔時的內(nèi)裂；(b)拉拔過程試分析矩形斷面金屬板料在二平輥間軋制后其前后端出現(xiàn)凸形的原因.

（1）軋件受壓下后，其變形金屬向二個方向流動：延伸和展寬。（2）接觸面的外摩擦和附近的金屬對延伸和展寬都有影響。（3）在軋件寬度中間的金屬受二側(cè)金屬的限制及受軋輥表面磨擦阻礙的影響最大，展寬變得最困難，，因而延伸大，展寬小，邊部金屬受外摩擦的影響最小，故其展寬最大、延伸最小，出現(xiàn)圖示現(xiàn)象。鍛壓圓坯時采用槽形或弧形錘頭為什么可防止工件橫斷面中心處產(chǎn)生裂口。當采用平錘頭鍛壓圓坯時，由于受外端的影響，在圓坯的中心處產(chǎn)生拉應力，在此拉應力的作用下會產(chǎn)生裂口，當采用帶槽形或弧形錘頭時，受工具形狀的影響，圓坯的中心處的拉應力會受到限制，甚至會產(chǎn)生壓應力，則會大大降低中心裂口出現(xiàn)的機率。簡述鋼板軋制時產(chǎn)生邊浪或中間浪的原因。主要原因是沿軋件寬度軋件的厚度不均，導致沿寬度方向壓下率不同，長度上的延伸系數(shù)不同。當邊部較厚且較中間部分窄時，邊部產(chǎn)生附加壓應力，受中間金屬的影響，邊部產(chǎn)生波浪；當中間較厚且較邊部窄時，中間部分產(chǎn)生附加壓應力，受邊部的影響，產(chǎn)生中間邊浪。簡述鋼板軋制時產(chǎn)生邊浪或中間浪的原因。

主要原因是沿軋件寬度軋件的厚