材料力學(xué)金屬的斷裂(課件)

1、５．金屬的斷裂 本章重點(diǎn)：*研究金屬在塑性變形時(shí)裂紋發(fā)生和 發(fā)展的規(guī)律性 *變形條件對(duì)金屬斷裂的影響 *塑性加工中金屬的斷裂,,5.1 斷裂的基本類型 彈性變形→塑性變形→斷裂 1．脆性斷裂 在正應(yīng)力作用下，物體極快地 沿解理面發(fā)生 斷裂 解理面一般指晶面指數(shù)較低

2、的面 脆性解理斷裂的裂紋傳播速度可 達(dá) 1030 m/s,,特點(diǎn)：① 裂口生成、發(fā)展均很快 斷裂前沒有明顯的塑性變形，ε＜5% ②斷口平整（破斷面和拉應(yīng)力接近于 正交）有金屬光澤 斷口⊥σmax 斷口沿解理面 在電鏡下可看到解理亮面,,二種情況：沿解理面的穿晶斷

3、裂 —— 河流狀、舌狀花紋沿晶界的晶間斷裂 —— 冰糖狀、顆粒狀,穿晶斷裂 ——斷裂時(shí)裂紋發(fā)展穿過晶粒內(nèi)部(韌斷)晶間斷裂 ——斷裂時(shí)裂紋發(fā)展沿著晶界 (脆斷),2．韌性斷裂在切應(yīng)力作用下，先產(chǎn)生一定量的塑性變形，然后斷裂。特點(diǎn)：① 裂口生成、發(fā)展均很慢 斷裂前能產(chǎn)生顯著的塑性變形 ② 斷口粗糙、無光澤，呈暗 灰色纖維狀 電子顯微鏡下可看到韌窩、撕裂嶺

4、,韌性斷裂的斷口具體表現(xiàn)形式有：低塑性材料：切變斷裂 斷口∥τmax 斷裂面即是滑移面 如：密排六方的金屬單晶高塑性材料：拉縮成一點(diǎn)斷開 如：Au、Pb、Fe等單晶體,一般塑性材料：斷口呈杯錐狀,杯錐狀斷口 雙杯錐狀斷口 鋼與合金 純金屬斷口

5、韌性斷裂主要表現(xiàn)為穿晶斷裂,5.2 裂縫的生成和發(fā)展一．理論斷裂強(qiáng)度概念：理想晶體在正應(yīng)力作用下沿某一原子 面被拉斷時(shí)的斷裂強(qiáng)度 主要取決于原子間 結(jié)合力對(duì)斷裂的抗力,,X＜ac時(shí)，隨外力↑(X↑)，結(jié)合力↑X＞ac時(shí)，隨外力↑(X↑)，結(jié)合力↓→ 0 最后導(dǎo)致斷裂X＝ac時(shí)，原子間結(jié)合力最大 σm,,,,X,ac,,原子間作用力與原子間距(X)的關(guān)系

6、,,σm,當(dāng)外力 P 使得 σ＞σm時(shí)，導(dǎo)致晶體斷裂稱σm為理論斷裂強(qiáng)度σm 的估算公式：σm= (E·γ/a)1/2 E—— 彈性模量 γ—— 單位面積的表面能 a—— 原子面間距一般金屬材料：σm≈ 2000 kg/mm2

7、 與實(shí)際情況不附,二．Griffith理論1．理論的引出假設(shè)：在實(shí)際晶體中存在各種缺陷(微裂口)，在外力作用下，缺陷端部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，在平均應(yīng)力未達(dá)到σm時(shí)，缺陷處的應(yīng)力集中已超過σm，使裂口得以逐步發(fā)展，結(jié)果導(dǎo)致實(shí)際斷裂強(qiáng)度大為下降。Griffith認(rèn)為，對(duì)于一定尺寸的裂口存在一個(gè)臨界應(yīng)力值σc當(dāng)σ＜ σc時(shí)，裂口不能擴(kuò)大當(dāng)σ＞ σc時(shí)，裂口迅速擴(kuò)大，

8、導(dǎo)致斷裂,２．Griffith公式 (臨界應(yīng)力公式)設(shè)有一塊薄板，厚度=1個(gè)單位，內(nèi)有一橢圓形裂口，小裂口長度為 2c 薄板受均勻的拉應(yīng)力σ作用 e —— 裂口擴(kuò)展所需的能 e = e1+ e2 e1 —— 裂口擴(kuò)展所降低的彈性能 e2 —— 裂口擴(kuò)展所增加的表面能,e1=單位體積彈性能×裂口總體積裂口所松馳的彈性能可近似看作形成直徑為 2c 的無應(yīng)力區(qū)域所釋放的能量粗略估計(jì)值：e1 ≈ －1/2

9、σ·ε×πc2 = －πc2σ2/2E更精確計(jì)算出的值為粗略估計(jì)值的二倍，即： e1 = －πc2σ2/Ee2 = 單位面積表面能×裂口總面積 = 4cγ e = 4cγ －πc2σ2/E 1,討論c＜ck c↑、e↑c(diǎn)＞ck c↑、e↓ck：裂口擴(kuò)展臨界長度 裂口傳播的

10、條件,裂口的長度對(duì)應(yīng)于能量 e = e1+ e2 的極大值，裂口就可自發(fā)的擴(kuò)展emax de/dc=0 4γ－2πσ2c/E=0,,裂口傳播的臨界拉應(yīng)力為：σc= (2Eγ/πc)1/2 ≈ (Eγ/c)1/2 Griffith

11、公式 σ＞ σc 時(shí)，裂口才能擴(kuò)展 c↑、 σc ↓ 裂口長度越大，所需臨界應(yīng)力越小Griffith理論較適合于非晶體和脆性材料,該理論的不完善性：未能反映塑性變形在 斷裂中的作用Griffith-Orowan修正公式：σc= {E(γ+ γ p)/c}1/2 ≈ (Eγp/c)1/2 γ p ：裂縫擴(kuò)展時(shí)單位面積所需的塑性功 γ＜＜γ

12、p ， γ可忽略不計(jì),三．裂口形核機(jī)理基本思想：位錯(cuò)理論在外力作用下，刃型位錯(cuò)的合并可構(gòu)成裂口的胚芽,幾種具體機(jī)理：1．位錯(cuò)塞積機(jī)理 位錯(cuò)沿某一滑移面移動(dòng)受阻，在障礙物前塞積，產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，形成裂口,2．位錯(cuò)反應(yīng)機(jī)理 二位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)生成不易移動(dòng)的新位錯(cuò)，使位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，形成裂口,3．位錯(cuò)消毀機(jī)理 在兩個(gè)滑移面間距 h＜ 10個(gè)原子層的滑移面 上，有著不同號(hào)的刃型位

13、錯(cuò)，在切應(yīng)力作用下， 它們相遇、相消，產(chǎn)生孔穴，剩余的同號(hào)刃型 位錯(cuò)進(jìn)入穴中，造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成裂口,4．位錯(cuò)墻側(cè)移機(jī)理 由于位錯(cuò)墻一部分側(cè)移，使滑移面產(chǎn)生彎 折，形成裂口,,結(jié)論：刃型位錯(cuò)合并、堆積→應(yīng)力集中→斷裂源→達(dá)到σc條件→裂口擴(kuò)展→脆斷,5.3 韌性斷裂的裂口形成與發(fā)展一．韌性斷裂的形成過程,,,,,均勻拉伸 產(chǎn)生細(xì)頸 在三向拉應(yīng)力

14、 微孔合并長大 作用下產(chǎn)生微孔 形成小裂口,裂口沿垂直于拉伸方向擴(kuò)展，接近表面,沿τmax 方向斷裂形成杯錐狀,↑,↓,二．微孔的形成研究表明，微孔主要在析出物、夾雜物等第二相粒子的地方形成,產(chǎn)生微孔的機(jī)理1．雜質(zhì)與基體界面發(fā)生剝離 這是由變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的雜質(zhì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生微孔,2．雜質(zhì)本身的破碎3．因位

15、錯(cuò)塞積，造成應(yīng)力集中，形成微裂紋三．裂口的發(fā)展與修復(fù)裂口的發(fā)展過程：亞顯微破壞(形成微孔)→顯微破壞(形成小裂口)→宏觀破壞(裂口發(fā)展)→斷裂裂口的修復(fù)過程：已形成的破壞在變形過程中得 以修復(fù),影響裂口發(fā)展與修復(fù)的因素1．變形溫度 溫度升高，有利于修復(fù)2．應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力集中↑、拉應(yīng)力 —— 裂口發(fā)展，不

16、利修復(fù) 壓應(yīng)力 —— 破壞表面貼合，原子間聯(lián)系力恢復(fù)3．表面狀態(tài) 裂口表面干凈、無污染，沒有外來原子的吸附，易 愈合,5.4 影響斷裂類型的因素一．變形溫度σf —— 正斷抗力σs —— 塑性變形抗力 當(dāng)溫度t＞tk 時(shí)，σf＞σs ，材料先達(dá)到σs，產(chǎn)生大量的塑性變形，導(dǎo)致裂口成核。但此時(shí)裂口還不能擴(kuò)展，只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σf 時(shí)才造成斷裂 ——韌性斷裂,當(dāng)溫度t＜tk

17、 時(shí)，σf＜σs ，材料先達(dá)到σf，但此時(shí)并不發(fā)生斷裂，因?yàn)榇藭r(shí)材料中并無裂口。只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs 時(shí)，裂口才成核，并隨即迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂，沒有明顯的塑性變形 ——脆性斷裂tk —— 脆性轉(zhuǎn)化溫度,二．變形速度 變形速度↑，材料趨向于 脆性斷裂 k : 臨界變形速度 ＞ k σf＜σs —— 脆

18、性斷裂 ＜ k σf＞σs —— 韌性斷裂,,三．應(yīng)力狀態(tài) 用 軟性系數(shù) α= τmax/σmax 表示 τ—— 推動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)，決定位錯(cuò)堆積的數(shù)目， 對(duì)塑性變形和斷裂的發(fā)生和發(fā)展過程都 有影響 σ—— 只影響斷裂的發(fā)展過程，拉應(yīng)力促使裂 縫的

19、發(fā)展。 因此，軟性系數(shù)值越大越易發(fā)生韌性斷裂,采用如下公式計(jì)算τmax和σmax τmax = (σ1－σ3)/2 σmax = σ1－υ(σ2＋σ3) 取 υ= 0.25,得到：三向等拉伸 α=0 單向拉伸 α=0.5 扭轉(zhuǎn) α=0.8 單向壓縮

20、 α=2 三向不等壓縮α= ∞ 壓應(yīng)力↑ α↑—— 韌斷一般 α＞0.5 軟應(yīng)力狀態(tài) 韌性斷裂 α＜0.5 硬應(yīng)力狀態(tài) 脆性斷裂,5.5 塑性加工中金屬的斷裂一．鐓粗時(shí)的側(cè)面開裂,1．產(chǎn)生原因Ⅲ區(qū)鼓形處受有環(huán)向拉應(yīng)力作用T℃過高，晶界強(qiáng)度減弱，易沿晶界 拉裂

21、 裂口⊥σ環(huán) ，如圖(a)T℃較低，穿晶切斷，沿τmax 斷裂 裂口與σ環(huán)成45°角，如圖(b),2．防止措施σ環(huán)↓——不均勻變形↓，鼓形↓① f↓ 提高表面光潔度，采用潤 滑劑,② 加軟墊 壓縮開始，軟墊先變形，拖著工件端面一起向外流動(dòng)，使工件側(cè)面成凹形，隨后，軟墊產(chǎn)生了加工硬化，工件開始顯著變形，凹→平→凸 ，鼓形↓， σ環(huán) ↓,③ 活

22、動(dòng)套環(huán)或包套鐓粗 套環(huán)一般由普通鋼制成，加熱溫度比坯料低，變形抗力大，對(duì)坯料的流動(dòng)起限制作用，增加三向壓應(yīng)力。,二．鍛壓延伸時(shí)的內(nèi)部裂紋１．平錘頭鍛壓方坯時(shí)產(chǎn)生X形內(nèi)裂 ① 產(chǎn)生原因 a) 鍛壓時(shí)，對(duì)角線方向金屬流動(dòng)發(fā)生錯(cuò)動(dòng) 每翻轉(zhuǎn)90°，金屬錯(cuò)動(dòng)方向改變,b)鑄造組織 鋼錠中心及對(duì)角線是雜質(zhì)和缺陷聚集的地方， 為薄弱環(huán)節(jié) 有柱狀晶更易開裂

23、 1 c)對(duì)角線方向ε最大熱效應(yīng)大，溫升高，對(duì)角線處易過燒，導(dǎo)致開裂 若中心薄弱，裂紋如圖c上 若角部薄弱，裂紋如圖c下,,② 預(yù)防措施a)減小送進(jìn)量l 工件與工具的接觸長度 一般 l=(0.6～0.8)hb)減小柱狀晶c

24、)減小壓下量△h,1,1,2．平錘頭鍛壓圓錠時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)裂①產(chǎn)生原因 鍛壓圓錠時(shí)，相當(dāng)于壓縮厚件。假若沒有外 端，則可自由地形成雙鼓形，但由于外端的 拉齊作用，使工件中心產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。,,當(dāng)翻轉(zhuǎn)90°鍛成方坯時(shí)，裂紋如圖(d)， 十字形當(dāng)旋轉(zhuǎn)鍛造圓坯時(shí)，裂紋如圖(e)，放射狀,②

25、防止措施 采用槽形或弧形錘頭，增加側(cè)壓，使附加 拉應(yīng)力↓,用圖(a)的各種錘頭鍛壓圓坯時(shí)，都有或多或少的在坯料中心處出現(xiàn)裂紋；而用圖(b)所示的兩種錘頭壓縮時(shí)，總變形量達(dá)40%都還未出現(xiàn)任何裂紋。,,可見，最好采用如下兩種錘頭:頂角不超過110°的槽形錘頭R≤r、包角為100°～110°的弧形錘頭R—— 弧形的曲率半徑r ── 圓坯半徑

26、 1,三．鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋1．產(chǎn)生原因當(dāng) l/h＜0.5時(shí)，在斷面中心產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。,,2．防止措施① △h↑ 變形滲透性↑，附加拉應(yīng)力↓② 送進(jìn)量 l↑ 如下圖(b) l =(0.6~0.8)h③ 增加軋輥直徑 D 有利于內(nèi)部缺陷的焊合,四．鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的角裂,1．產(chǎn)生原因未及時(shí)倒棱，角部溫降大，產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力角部變形抗力大，延伸小，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力

27、2．防止措施①及時(shí)倒棱② 加熱時(shí)防止角部過熱或過燒③ 適當(dāng)輕打,五．鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的端裂（劈頭）,１．產(chǎn)生原因錘擊過重時(shí)，端面鼓形嚴(yán)重，Ⅱ區(qū)質(zhì)點(diǎn)向外鼓脹，使Ⅲ區(qū)外表面受拉力Q作用，在此拉力的作用下，使軋件端面開裂。,2．防止措施正常鍛壓前先鍛頭部，改善端部的塑性避免軋件表面溫度降低過大,六．軋板時(shí)的邊裂和薄件的中部裂,１．產(chǎn)生原因 凸輥軋制：邊部受縱向附加拉應(yīng)力，出現(xiàn)邊裂 凹

28、輥軋制：中部受縱向附加拉應(yīng)力，出現(xiàn)中部裂口 ２．防止措施 限制邊部自由寬展，防止邊裂 采用合適的輥型和坯料斷面形狀,七．拉拔時(shí)的內(nèi)裂 １．產(chǎn)生原因 當(dāng) l/d0 較小時(shí)，只產(chǎn)生表面變形，中心部位受附加拉應(yīng)力 ２．防止措施 增加 l/d0 減小?？族F角 α 增加 ε，使變形深入到棒材的軸心區(qū),八．?dāng)D壓時(shí)的竹節(jié)

29、狀裂紋 １．產(chǎn)生原因 擠壓時(shí)，擠壓缸與模孔的摩擦作用，表面變形,小，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力２．防止措施 加潤滑，減小 f ，減輕金 屬流動(dòng)的不均勻性 保持?jǐn)D壓件的表面溫度,總結(jié)１．?dāng)嗔杨愋停玻當(dāng)嗔训陌l(fā)生和發(fā)展過程 影響因素３．壓加中斷裂的主要形式及防止措施 不均勻變形 → 產(chǎn)生σ附(+) → 開裂,思考題1.寫出Griffith 公式(臨界應(yīng)力