材料力学金属的断裂(课件)

金属的断裂本章重点 研究金属在塑性变形时裂纹发生和发展的规律性 变形条件对金属断裂的影响 塑性加工中金属的断裂 5 1断裂的基本类型弹性变形 塑性变形 断裂1 脆性断裂在正应力作用下 物体极快地沿解理面发生断裂解理面一般指晶面指数较低的面脆性解理断裂的裂纹传播速度可达1030m s 特点 裂口生成 发展均很快断裂前没有明显的塑性变形 5 断口平整 破断面和拉应力接近于正交 有金属光泽断口 max断口沿解理面在电镜下可看到解理亮面 二种情况 沿解理面的穿晶断裂 河流状 舌状花纹沿晶界的晶间断裂 冰糖状 颗粒状 穿晶断裂 断裂时裂纹发展穿过晶粒内部 韧断 晶间断裂 断裂时裂纹发展沿着晶界 脆断 2 韧性断裂在切应力作用下 先产生一定量的塑性变形 然后断裂 特点 裂口生成 发展均很慢断裂前能产生显著的塑性变形 断口粗糙 无光泽 呈暗灰色纤维状电子显微镜下可看到韧窝 撕裂岭 韧性断裂的断口具体表现形式有 低塑性材料 切变断裂断口 max断裂面即是滑移面如 密排六方的金属单晶高塑性材料 拉缩成一点断开如 Au Pb Fe等单晶体 一般塑性材料 断口呈杯锥状 杯锥状断口双杯锥状断口钢与合金纯金属断口韧性断裂主要表现为穿晶断裂 5 2裂缝的生成和发展一 理论断裂强度概念 理想晶体在正应力作用下沿某一原子面被拉断时的断裂强度主要取决于原子间结合力对断裂的抗力 X ac时 随外力 X 结合力 X ac时 随外力 X 结合力 0最后导致断裂X ac时 原子间结合力最大 m X ac 原子间作用力与原子间距 X 的关系 m 当外力P使得 m时 导致晶体断裂称 m为理论断裂强度 m的估算公式 m E a 1 2E 弹性模量 单位面积的表面能a 原子面间距一般金属材料 m 2000kg mm2与实际情况不附 二 Griffith理论1 理论的引出假设 在实际晶体中存在各种缺陷 微裂口 在外力作用下 缺陷端部产生很大的应力集中 在平均应力未达到 m时 缺陷处的应力集中已超过 m 使裂口得以逐步发展 结果导致实际断裂强度大为下降 Griffith认为 对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值 c当 c时 裂口不能扩大当 c时 裂口迅速扩大 导致断裂 Griffith公式 临界应力公式 设有一块薄板 厚度 1个单位 内有一椭圆形裂口 小裂口长度为2c薄板受均匀的拉应力 作用e 裂口扩展所需的能e e1 e2e1 裂口扩展所降低的弹性能e2 裂口扩展所增加的表面能 e1 单位体积弹性能 裂口总体积裂口所松驰的弹性能可近似看作形成直径为2c的无应力区域所释放的能量粗略估计值 e1 1 2 c2 c2 2 2E更精确计算出的值为粗略估计值的二倍 即 e1 c2 2 Ee2 单位面积表面能 裂口总面积 4c e 4c c2 2 E1 讨论c ckc e c ckc e ck 裂口扩展临界长度裂口传播的条件 裂口的长度对应于能量e e1 e2的极大值 裂口就可自发的扩展emaxde dc 04 2 2c E 0 裂口传播的临界拉应力为 c 2E c 1 2 E c 1 2Griffith公式 c时 裂口才能扩展c c 裂口长度越大 所需临界应力越小Griffith理论较适合于非晶体和脆性材料 该理论的不完善性 未能反映塑性变形在断裂中的作用Griffith Orowan修正公式 c E p c 1 2 E p c 1 2 p 裂缝扩展时单位面积所需的塑性功 p 可忽略不计 三 裂口形核机理基本思想 位错理论在外力作用下 刃型位错的合并可构成裂口的胚芽 几种具体机理 1 位错塞积机理位错沿某一滑移面移动受阻 在障碍物前塞积 产生极大的应力集中 形成裂口 2 位错反应机理二位错发生反应生成不易移动的新位错 使位错塞积 产生大的应力集中 形成裂口 3 位错消毁机理在两个滑移面间距h 10个原子层的滑移面上 有着不同号的刃型位错 在切应力作用下 它们相遇 相消 产生孔穴 剩余的同号刃型位错进入穴中 造成严重的应力集中 形成裂口 4 位错墙侧移机理由于位错墙一部分侧移 使滑移面产生弯折 形成裂口 结论 刃型位错合并 堆积 应力集中 断裂源 达到 c条件 裂口扩展 脆断 5 3韧性断裂的裂口形成与发展一 韧性断裂的形成过程 均匀拉伸产生细颈在三向拉应力微孔合并长大作用下产生微孔形成小裂口 裂口沿垂直于拉伸方向扩展 接近表面 沿 max方向断裂形成杯锥状 二 微孔的形成研究表明 微孔主要在析出物 夹杂物等第二相粒子的地方形成 产生微孔的机理1 杂质与基体界面发生剥离这是由变形不协调产生的杂质引起应力集中现象 产生微孔 2 杂质本身的破碎3 因位错塞积 造成应力集中 形成微裂纹三 裂口的发展与修复裂口的发展过程 亚显微破坏 形成微孔 显微破坏 形成小裂口 宏观破坏 裂口发展 断裂裂口的修复过程 已形成的破坏在变形过程中得以修复 影响裂口发展与修复的因素1 变形温度温度升高 有利于修复2 应力状态应力集中 拉应力 裂口发展 不利修复压应力 破坏表面贴合 原子间联系力恢复3 表面状态裂口表面干净 无污染 没有外来原子的吸附 易愈合 5 4影响断裂类型的因素一 变形温度 f 正断抗力 s 塑性变形抗力当温度t tk时 f s 材料先达到 s 产生大量的塑性变形 导致裂口成核 但此时裂口还不能扩展 只有当应力达到 f时才造成断裂 韧性断裂 当温度t tk时 f s 材料先达到 f 但此时并不发生断裂 因为此时材料中并无裂口 只有当应力达到 s时 裂口才成核 并随即迅速扩展而导致断裂 没有明显的塑性变形 脆性断裂tk 脆性转化温度 二 变形速度变形速度 材料趋向于脆性断裂k 临界变形速度 k f s 脆性断裂 k f s 韧性断裂 三 应力状态用软性系数 max max表示 推动位错移动 决定位错堆积的数目 对塑性变形和断裂的发生和发展过程都有影响 只影响断裂的发展过程 拉应力促使裂缝的发展 因此 软性系数值越大越易发生韧性断裂 采用如下公式计算 max和 max max 1 3 2 max 1 2 3 取 0 25 得到 三向等拉伸 0单向拉伸 0 5扭转 0 8单向压缩 2三向不等压缩 压应力 韧断一般 0 5软应力状态韧性断裂 0 5硬应力状态脆性断裂 5 5塑性加工中金属的断裂一 镦粗时的侧面开裂 1 产生原因 区鼓形处受有环向拉应力作用T 过高 晶界强度减弱 易沿晶界拉裂裂口 环 如图 a T 较低 穿晶切断 沿 max断裂裂口与 环成45 角 如图 b 2 防止措施 环 不均匀变形 鼓形 f 提高表面光洁度 采用润滑剂 加软垫压缩开始 软垫先变形 拖着工件端面一起向外流动 使工件侧面成凹形 随后 软垫产生了加工硬化 工件开始显著变形 凹 平 凸 鼓形 环 活动套环或包套镦粗套环一般由普通钢制成 加热温度比坯料低 变形抗力大 对坯料的流动起限制作用 增加三向压应力 二 锻压延伸时的内部裂纹 平锤头锻压方坯时产生X形内裂 产生原因a 锻压时 对角线方向金属流动发生错动每翻转90 金属错动方向改变 b 铸造组织钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方 为薄弱环节有柱状晶更易开裂1c 对角线方向 最大热效应大 温升高 对角线处易过烧 导致开裂若中心薄弱 裂纹如图c上若角部薄弱 裂纹如图c下 预防措施a 减小送进量l工件与工具的接触长度一般l 0 6 0 8 hb 减小柱状晶c 减小压下量 h 1 1 2 平锤头锻压圆锭时产生的内裂 产生原因锻压圆锭时 相当于压缩厚件 假若没有外端 则可自由地形成双鼓形 但由于外端的拉齐作用 使工件中心产生附加拉应力 当翻转90 锻成方坯时 裂纹如图 d 十字形当旋转锻造圆坯时 裂纹如图 e 放射状 防止措施采用槽形或弧形锤头 增加侧压 使附加拉应力 用图 a 的各种锤头锻压圆坯时 都有或多或少的在坯料中心处出现裂纹 而用图 b 所示的两种锤头压缩时 总变形量达40 都还未出现任何裂纹 可见 最好采用如下两种锤头 顶角不超过110 的槽形锤头R r 包角为100 110 的弧形锤头R 弧形的曲率半径r 圆坯半径1 三 锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹1 产生原因当l h 0 5时 在断面中心产生纵向拉应力 2 防止措施 h 变形渗透性 附加拉应力 送进量l 如下图 b l 0 6 0 8 h 增加轧辊直径D有利于内部缺陷的焊合 四 锻压延伸及轧制时产生的角裂 1 产生原因未及时倒棱 角部温降大 产生拉伸热应力角部变形抗力大 延伸小 产生附加拉应力2 防止措施 及时倒棱 加热时防止角部过热或过烧 适当轻打 五 锻压延伸及轧制时产生的端裂 劈头 产生原因锤击过重时 端面鼓形严重 区质点向外鼓胀 使 区外表面受拉力Q作用 在此拉力的作用下 使轧件端面开裂 2 防止措施正常锻压前先锻头部 改善端部的塑性避免轧件表面温度降低过大 六 轧板时的边裂和薄件的中部裂 产生原因凸辊轧制 边部受纵向附加拉应力 出现边裂凹辊轧制 中部受纵向附加拉应力 出现中部裂口 防止措施限制边部自由宽展 防止边裂采用合适的辊型和坯料断面形状 七 拉拔时的内裂 产生原因当l d0较小时 只产生表面变形 中心部位受附加拉应力 防止措施增加l d0减小模孔锥角 增加 使变形深入到棒材的轴心区 八 挤压时的竹节状裂纹 产生原因挤压时 挤压缸与模孔的摩擦作用 表面变形 小 产生附加拉应力 防止措施加润滑 减小f