金屬塑性變形理論 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張貴杰張貴杰Zhang GuijieTel-Mail： 河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092022-3-22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 塑性加工中的斷裂現(xiàn)象分析2022-3-236

2、.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(shí)為脆性的金屬，在高靜水壓下卻呈現(xiàn)性。在拉伸時(shí)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(shí)卻可能變得很脆。所以，金屬低溫、高變形速度時(shí)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(nèi)在因素和是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內(nèi)在因素和外在條件。因此，對(duì)塑性加工來(lái)

3、說(shuō)，很有必要了解外在條件。因此，對(duì)塑性加工來(lái)說(shuō)，很有必要了解塑性脆性轉(zhuǎn)變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性脆性轉(zhuǎn)變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性提高方面轉(zhuǎn)化。塑性提高方面轉(zhuǎn)化。2022-3-24影響塑性脆性轉(zhuǎn)變的主要因素影響塑性脆性轉(zhuǎn)變的主要因素 變形溫度變形溫度 變形速度變形速度 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 2022-3-25 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(gè)的變形中有一個(gè)重要的現(xiàn)象：隨著變形溫度的改變都有一個(gè)從韌性重要的現(xiàn)象：隨著變形溫度的改變都有一個(gè)從韌性斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變溫度，稱此溫度為脆性轉(zhuǎn)變斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)

4、變溫度，稱此溫度為脆性轉(zhuǎn)變溫度，常以溫度，常以Tc來(lái)表示。來(lái)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(duì)一定材料來(lái)說(shuō)，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，表征該材料對(duì)一定材料來(lái)說(shuō)，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，表征該材料脆性趨勢(shì)愈大。脆性趨勢(shì)愈大。 2022-3-26 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(yīng)力狀態(tài)等，同樣也會(huì)出現(xiàn)塑性脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。應(yīng)力狀態(tài)等，同樣也會(huì)出現(xiàn)塑性脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。 對(duì)這種現(xiàn)象的解釋，可以認(rèn)為斷裂應(yīng)力對(duì)這種現(xiàn)象的解釋，可以認(rèn)為斷裂應(yīng)力s sf對(duì)溫度不夠敏感，對(duì)溫度不夠敏感，

5、熱激活對(duì)脆性裂紋的傳播不起多大作用，但屈服強(qiáng)度熱激活對(duì)脆性裂紋的傳播不起多大作用，但屈服強(qiáng)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(duì)溫度作圖，對(duì)溫度作圖，則兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是則兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是Tc。當(dāng)。當(dāng)T Tc時(shí)，時(shí)， s sf s ss ，此時(shí)材料要經(jīng)過(guò)一段塑性變形后才能斷裂，故表現(xiàn)，此時(shí)材料要經(jīng)過(guò)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(shí)，時(shí)， s sf s ss ，此時(shí)材料未來(lái)得及塑，此時(shí)材料未來(lái)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，

6、則表現(xiàn)為脆性斷裂。2022-3-27s sf 和和 s ss與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系2022-3-28 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(lái)不及進(jìn)行而使提高，塑性變形來(lái)不及進(jìn)行而使s ss增高，但變形速增高，但變形速度對(duì)斷裂抗力度對(duì)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(gè)臨介變形速度就可以得到一個(gè)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(dāng)于變形溫度降低的脆性斷裂。變形速度的提高相當(dāng)于變形溫度降低的效果。效果。 2022-3

7、-29 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性脆性轉(zhuǎn)變的影響，可采用不同深應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性脆性轉(zhuǎn)變的影響，可采用不同深度缺口的拉伸試樣來(lái)進(jìn)行。缺口越深越尖銳三向拉度缺口的拉伸試樣來(lái)進(jìn)行。缺口越深越尖銳三向拉應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)。試驗(yàn)表明，拉應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)，材料應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)。試驗(yàn)表明，拉應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，脆性趨勢(shì)越大。的脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，脆性趨勢(shì)越大。2022-3-210 切口的試樣比無(wú)缺口試樣切口的試樣比無(wú)缺口試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度有明顯提的脆性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)

8、變溫度也明顯提高。轉(zhuǎn)變溫度也明顯提高。 由此可見，金屬材料變形時(shí)的拉應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)，由此可見，金屬材料變形時(shí)的拉應(yīng)力狀態(tài)越強(qiáng)，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。2022-3-211 金屬材料的化學(xué)成份和組織狀態(tài)金屬材料的化學(xué)成份和組織狀態(tài) 不同含碳量對(duì)鋼的沖擊韌性的影響。隨著含碳量的不同含碳量對(duì)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(zhuǎn)變溫度上升，增加，沖擊韌性明顯降低，而且脆性轉(zhuǎn)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。2022-3-212 添加添加Mn或或Ni可以有效可以

9、有效地降低轉(zhuǎn)變溫度。因?yàn)榈亟档娃D(zhuǎn)變溫度。因?yàn)閮烧叨寄苁咕Я＜?xì)化，兩者都能使晶粒細(xì)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(cuò)產(chǎn)生交滑移避免使位錯(cuò)產(chǎn)生交滑移避免應(yīng)力集中，這些都有助應(yīng)力集中，這些都有助于轉(zhuǎn)變溫度的降低。于轉(zhuǎn)變溫度的降低。低碳鋼的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力與晶低碳鋼的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力與晶粒大小的關(guān)系粒大小的關(guān)系2022-3-213 鋼材經(jīng)淬火后高溫鋼材經(jīng)淬火后高溫調(diào)質(zhì)處理得到索氏調(diào)質(zhì)處理得到索氏體組織，這對(duì)降低體組織，這對(duì)降低脆性轉(zhuǎn)變溫度是極脆性轉(zhuǎn)變溫度是極為有效的。為有效的。 圖中表明調(diào)質(zhì)鋼與圖中表明調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼和熱軋鋼相正火鋼和熱軋鋼相比，

10、脆性轉(zhuǎn)變溫度比，脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯降低。明顯降低。2022-3-2146.3 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(zhì)量差（如鑄造時(shí)產(chǎn)生塑性加工中的斷裂除因鑄錠質(zhì)量差（如鑄造時(shí)產(chǎn)生的疏松、裂紋、偏析和粗大晶粒等）和加熱質(zhì)量不的疏松、裂紋、偏析和粗大晶粒等）和加熱質(zhì)量不良所造成過(guò)熱、過(guò)燒的原因外，絕大多數(shù)的斷裂是良所造成過(guò)熱、過(guò)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(huì)發(fā)生各在生產(chǎn)中因工藝條件和操作上的不合理，會(huì)發(fā)生各種斷裂。因此，應(yīng)結(jié)合具體金屬的塑性加工工藝過(guò)種斷裂。因此，應(yīng)結(jié)合具體金屬

11、的塑性加工工藝過(guò)程和斷裂現(xiàn)象，分析其斷裂原因，進(jìn)而找出防止斷程和斷裂現(xiàn)象，分析其斷裂原因，進(jìn)而找出防止斷裂的措施。裂的措施。2022-3-215 鍛造時(shí)的斷裂鍛造時(shí)的斷裂 軋制時(shí)的斷裂軋制時(shí)的斷裂 擠壓拉拔時(shí)的斷裂擠壓拉拔時(shí)的斷裂2022-3-2166.3.1 鍛造時(shí)的斷裂鍛造時(shí)的斷裂 鍛造時(shí)的表面開裂鍛造時(shí)的表面開裂 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-3-2172022-3-218 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 自由鐓粗塑性較低的金屬餅材時(shí)，由于錘頭端面對(duì)自由鐓粗塑性較低的金屬餅材時(shí)，由于錘頭端面對(duì)鐓粗件表面摩擦力的影響，形成單鼓形，使其側(cè)面鐓粗件表面摩擦力的影響，形成單鼓形，使其側(cè)面周向承受拉應(yīng)力。周向承受拉應(yīng)力。

12、當(dāng)鍛造溫度過(guò)高時(shí)，由于晶間結(jié)合力大大減弱，常當(dāng)鍛造溫度過(guò)高時(shí)，由于晶間結(jié)合力大大減弱，常出現(xiàn)晶間斷裂，且裂紋方向與周向拉應(yīng)力垂直出現(xiàn)晶間斷裂，且裂紋方向與周向拉應(yīng)力垂直(圖圖a)。當(dāng)鍛造溫度較低時(shí)，晶間強(qiáng)度常高于晶內(nèi)強(qiáng)度，便當(dāng)鍛造溫度較低時(shí)，晶間強(qiáng)度常高于晶內(nèi)強(qiáng)度，便出現(xiàn)穿晶斷裂。由于剪應(yīng)力引起的其裂紋方向常與出現(xiàn)穿晶斷裂。由于剪應(yīng)力引起的其裂紋方向常與最大主應(yīng)力成最大主應(yīng)力成45角角(圖圖b)。2022-3-219 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(dāng)高效能的潤(rùn)滑劑；光潔度，采用適當(dāng)高效能的潤(rùn)

13、滑劑； (2)采用凹形模：鍛造時(shí)，由于模壁對(duì)工件的橫向壓采用凹形模：鍛造時(shí)，由于模壁對(duì)工件的橫向壓縮，使周向拉應(yīng)力減少?？s，使周向拉應(yīng)力減少。 (3)采用軟墊采用軟墊 (4)采用活動(dòng)套環(huán)和包套采用活動(dòng)套環(huán)和包套2022-3-220用活動(dòng)套環(huán)用活動(dòng)套環(huán)(a)和和包套包套(b)鐓粗鐓粗加軟墊的鐓粗情況加軟墊的鐓粗情況2022-3-221包套鐓粗包套鐓粗2022-3-222 鍛造時(shí)的內(nèi)部裂紋鍛造時(shí)的內(nèi)部裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-3-223 產(chǎn)生原因?qū)鞘謾M裂對(duì)角十字橫裂2022-3-224方形件鍛壓延伸變形圖示方形件鍛壓延伸變形圖示2022-3-225鍛壓圓坯時(shí)產(chǎn)生的十字橫裂鍛壓圓坯時(shí)產(chǎn)生的十字橫裂

14、2022-3-226改變工具形狀以減小鍛壓內(nèi)裂改變工具形狀以減小鍛壓內(nèi)裂2022-3-2276.3.2 軋制時(shí)的斷裂軋制時(shí)的斷裂 軋板時(shí)的表面開裂軋板時(shí)的表面開裂 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-3-228凹形軋輥軋制平板時(shí)的裂紋凹形軋輥軋制平板時(shí)的裂紋2022-3-229 為避免上述斷裂現(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(diào)整、壓下量控制、張力調(diào)整、潤(rùn)滑適宜等等潤(rùn)滑適宜等等)。2022-3-230 軋制時(shí)內(nèi)部裂紋軋制時(shí)內(nèi)部裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-3-2

15、31厚件軋制變形及縱向附加應(yīng)力的分布情況厚件軋制變形及縱向附加應(yīng)力的分布情況2022-3-2326.3.3 擠壓拉拔時(shí)的斷裂擠壓拉拔時(shí)的斷裂 表面裂紋表面裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象2022-3-233拉拔時(shí)金屬表面的裂紋拉拔時(shí)金屬表面的裂紋2022-3-234 無(wú)論擠壓與拉拔，減少摩擦阻力，會(huì)使金屬流動(dòng)不無(wú)論擠壓與拉拔，減少摩擦阻力，會(huì)使金屬流動(dòng)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(qiáng)潤(rùn)滑，例如鋁合金熱擠防止裂紋的有效方法是加強(qiáng)潤(rùn)滑，例如鋁合金熱擠壓采用油石墨潤(rùn)滑劑，鋼熱擠時(shí)采用玻璃作潤(rùn)滑壓采用油石墨潤(rùn)滑劑，鋼熱擠時(shí)采用玻璃作潤(rùn)滑劑。因?yàn)橛绊懩Σ亮Φ囊蛩爻四Σ料禂?shù)以外，還劑。因?yàn)橛绊懩Σ亮Φ囊蛩爻四Σ料禂?shù)以外，還有垂直壓力和接觸面積的影響；對(duì)擠壓和拉拔來(lái)說(shuō)有垂直壓力和接觸面積的影響；對(duì)擠壓和拉拔來(lái)說(shuō)還可以采用反向擠壓、反張力拉拔，輥