第12講斷裂影響因素及現(xiàn)象

張貴杰Tel-Mail：zhguijie@華北理工大學(xué)金屬材料及加工工程系金屬塑性變形理論

第十二講9/17/20231第六章金屬的斷裂主要內(nèi)容MainContent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9/17/202326.2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，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)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)說(shuō)，很有必要了解塑性－脆性轉(zhuǎn)變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性提高方面轉(zhuǎn)化。9/17/20233影響塑性－脆性轉(zhuǎn)變的主要因素變形溫度變形速度應(yīng)力狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)……9/17/20234變形溫度大多數(shù)金屬材料(除面心立方以外)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)從韌性斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變溫度，稱此溫度為脆性轉(zhuǎn)變溫度，常以Tc來(lái)表示。在此溫度以上是韌性斷裂，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，表征該材料脆性趨勢(shì)愈大。

9/17/20235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。對(duì)這種現(xiàn)象的解釋，可以認(rèn)為斷裂應(yīng)力sf對(duì)溫度不夠敏感，熱激活對(duì)脆性裂紋的傳播不起多大作用，但屈服強(qiáng)度ss卻隨溫度變化很大，溫度越低，ss越高。將ss與sf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Tc。當(dāng)T＞Tc時(shí)，sf＞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)為韌性斷裂；在T＜Tc時(shí)，sf＜ss，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。9/17/20236sf和ss與溫度的關(guān)系9/17/20237變形速度變形速度的影響與變形溫度類同，由于變形速度的提高，塑性變形來(lái)不及進(jìn)行而使ss增高，但變形速度對(duì)斷裂抗力sf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ec，高于此值便產(chǎn)生脆性斷裂。變形速度的提高相當(dāng)于變形溫度降低的效果。9/17/20238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)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，脆性趨勢(shì)越大。9/17/20239切口的試樣比無(wú)缺口試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度有明顯提高。沖擊彎曲由于變形速度極快引起ss提高，所以與靜彎曲（B）相比脆性轉(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)，變形速度越高，材料的脆化傾向越大。9/17/202310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0.2％以下的鋼。9/17/202311添加Mn或Ni可以有效地降低轉(zhuǎn)變溫度。因?yàn)閮烧叨寄苁咕Я＜?xì)化，此外Mn還能抑制碳化物沿晶界析出；Ni能促使位錯(cuò)產(chǎn)生交滑移避免應(yīng)力集中，這些都有助于轉(zhuǎn)變溫度的降低。低碳鋼的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力與晶粒大小的關(guān)系9/17/202312鋼材經(jīng)淬火后高溫調(diào)質(zhì)處理得到索氏體組織，這對(duì)降低脆性轉(zhuǎn)變溫度是極為有效的。圖中表明調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼和熱軋鋼相比，脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯降低。9/17/2023136.3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)生各種斷裂。因此，應(yīng)結(jié)合具體金屬的塑性加工工藝過(guò)程和斷裂現(xiàn)象，分析其斷裂原因，進(jìn)而找出防止斷裂的措施。9/17/202314鍛造時(shí)的斷裂軋制時(shí)的斷裂擠壓拉拔時(shí)的斷裂9/17/2023156.3.1鍛造時(shí)的斷裂鍛造時(shí)的表面開裂現(xiàn)象9/17/2023169/17/202317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)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。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(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45°角(圖b)。9/17/202318防止或減輕措施(1)減少工件與工具間的接觸摩擦，提高接觸表面的光潔度，采用適當(dāng)高效能的潤(rùn)滑劑；(2)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。(3)采用軟墊(4)采用活動(dòng)套環(huán)和包套9/17/202319用活動(dòng)套環(huán)(a)和包套(b)鐓粗加軟墊的鐓粗情況9/17/202320包套鐓粗9/17/202321鍛造時(shí)的內(nèi)部裂紋現(xiàn)象9/17/202322產(chǎn)生原因?qū)鞘謾M裂9/17/202323方形件鍛壓延伸變形圖示9/17/202324鍛壓圓坯時(shí)產(chǎn)生的十字橫裂9/17/202325改變工具形狀以減小鍛壓內(nèi)裂2011-10-31-39/17/2023266.3.2軋制時(shí)的斷裂軋板時(shí)的表面開裂現(xiàn)象9/17/202327凹形軋輥軋制平板時(shí)的裂紋9/17/202328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。其次是制定合理的軋制工藝規(guī)程(壓下量控制、張力調(diào)整、潤(rùn)滑適宜等等)。9/17/202329軋制時(shí)內(nèi)部裂紋現(xiàn)象9/17/202330厚件軋制變形及縱向附加應(yīng)力的分布情況9/17/2023316.3.3擠壓拉拔時(shí)的斷裂表面裂紋現(xiàn)象9/17/202332拉拔時(shí)金屬表面的裂紋9/17/202333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。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)還可以采用反向擠壓、反張力拉拔，輥式模拉伸等方法來(lái)減少有害摩擦，防止斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。9/