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容MainContent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，向有利于塑性提高方面轉化。9/17/20233影響塑性－脆性轉變的主要因素變形溫度變形速度應力狀態(tài)組織結構……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溫度，常以Tc來表示。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。

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sf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ss卻隨溫度變化很大，溫度越低，ss越高。將ss與sf對溫度作圖，則兩條曲線的交點所對應的溫度就是Tc。當T＞Tc時，sf＞ss，此時材料要經過一段塑性變形后才能斷裂，故表現(xiàn)為韌性斷裂；在T＜Tc時，sf＜ss，此時材料未來得及塑性變形就已經發(fā)生斷裂，則表現(xiàn)為脆性斷裂。9/17/20236sf和ss與溫度的關系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，塑性變形來不及進行而使ss增高，但變形速度對斷裂抗力sf影響不大。所以在一定的條件下，就可以得到一個臨介變形速度ec，高于此值便產生脆性斷裂。變形速度的提高相當于變形溫度降低的效果。9/17/20238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，材料的脆性轉變溫度越高，脆性趨勢越大。9/17/20239切口的試樣比無缺口試樣的脆性轉變溫度有明顯提高。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，變形速度越高，材料的脆化傾向越大。9/17/202310金屬材料的化學成份和組織狀態(tài)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，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可以有效地降低轉變溫度。因為兩者都能使晶粒細化，此外Mn還能抑制碳化物沿晶界析出；Ni能促使位錯產生交滑移避免應力集中，這些都有助于轉變溫度的降低。低碳鋼的斷裂應力和屈服應力與晶粒大小的關系9/17/202312鋼材經淬火后高溫調質處理得到索氏體組織，這對降低脆性轉變溫度是極為有效的。圖中表明調質鋼與正火鋼和熱軋鋼相比，脆性轉變溫度明顯降低。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量差（如鑄造時產生的疏松、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)的斷裂是屬于不均勻變形所造成的。在生產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。9/17/202314鍛造時的斷裂軋制時的斷裂擠壓拉拔時的斷裂9/17/2023156.3.1鍛造時的斷裂鍛造時的表面開裂現(xiàn)象9/17/2023169/17/202317產生原因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，常出現(xiàn)晶間斷裂，且裂紋方向與周向拉應力垂直(圖a)。當鍛造溫度較低時，晶間強度常高于晶內強度，便出現(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縮，使周向拉應力減少。(3)采用軟墊(4)采用活動套環(huán)和包套9/17/202319用活動套環(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鍛造時的內部裂紋現(xiàn)象9/17/202322產生原因對角十字橫裂9/17/202323方形件鍛壓延伸變形圖示9/17/202324鍛壓圓坯時產生的十字橫裂9/17/202325改變工具形狀以減小鍛壓內裂2011-10-31-39/17/2023266.3.2軋制時的斷裂軋板時的表面開裂現(xiàn)象9/17/202327凹形軋輥軋制平板時的裂紋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、張力調整、潤滑適宜等等)。9/17/202329軋制時內部裂紋現(xiàn)象9/17/202330厚件軋制變形及縱向附加應力的分布情況9/17/2023316.3.3擠壓拉拔時的斷裂表面裂紋現(xiàn)象9/17/202332拉拔時金屬表面的裂紋9/17/202333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生。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；對擠壓和拉拔來說還可以采用反向擠壓、反張力拉拔，輥式模拉伸等方法來減少有害摩擦，防止斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。9/