第12讲 断裂影响因素及现象分析
金属在加工中的断裂课件
环境因素的作用
温度变化
01
温度的急剧变化可能引起金属的热胀冷缩，导致其内部产生应
力集中，增加断裂的风险。
湿度
02
高湿度环境可能导致金属腐蚀，降低其力学性能，从而增加断
裂的风险。
介质
03
某些介质可能对金属产生化学腐蚀或电化学腐蚀，降低其力学
性能，从而增加断裂的风险。
预防断裂的措施与建议
加强金属材料的检测与控制
切削断裂类型
根据切削过程中金属的断裂方式，可以分为脆性断裂和韧性 断裂。
切削参数影响
切削速度、进给量、切削深度等切削参数对金属切削过程中 的断裂有显著影响。
切削液的作用
切削液的使用可以降低切削过程中的温度，减少因热应力引 起的断裂。
热处理过程中的断裂
热处理工艺
热处理过程中，金属的加热、保温和冷却阶段对断裂有重要影响。
组织转变
金属在热处理过程中会发生组织转变，这会影响其力学性能和断裂敏感性。
热处理缺陷
如裂纹、脱碳、过烧等缺陷，会显著增加金属在热处理过程中的断裂风险。
焊接过程中的断裂
01
02
03
焊接工艺
不同的焊接工艺对金属焊 接过程中的断裂有显著影 响。
焊接缺陷
如气孔、夹渣、未熔合等 焊接缺陷，会降低金属的 力学性能，增加断裂风险 。
案例三
某航空制造企业，飞机起落架在制造过程中出现断裂，引发安全隐 患。
案例分析的方法与步骤
收集数据 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ场调查 断裂特征分析 原因分析 制定改进措施
收集断裂部件的相关数据， 如材料、工艺、载荷等。
对断裂部件的现场进行调查 ，了解断裂发生的环境和条
件。
浅谈钢材韧性及断裂的原因分析
浅谈钢材韧性及断裂的原因分析用于各行业的钢材品种达数千种之多。
每种钢材都因不同的性能、化学成分或合金种类和含量而具有不同的商品名称。
虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。
主要原因有：第一，因为在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同的显微组织，从而改变了钢的原有性能；第二，因为炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制时极其敏感，并且在同一化学成分钢的不同炉次之间，甚至在同一钢坯的不同部位发生不同的改变，从而影响钢材的质量。
由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度，而不是化学成分。
所以，经热处理后韧性会发生很大变化。
要深入探究钢材性能及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。
1、铁素体-珠光体钢断裂铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。
它们通常是含碳量在0.05%～0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。
铁素体-珠光体的显微组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和Fe3C组成。
在碳含量很低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和晶粒之中。
但当碳含量高于0.02%时，绝大多数的Fe3C形成具有某些铁素体的片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为“晶粒”和球结（晶界析出物）分散在铁素体基体中。
含碳量在0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占10%～25%。
尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕铁素体轻松地变形。
通常，铁素体的晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。
因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。
因此，珠光体会通过升高d-1/2（d为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力δy。
从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。
一是含碳量在0.03%以下，碳以珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小；二是含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。
断裂
彭瑞东煤炭资源与安全开采国家重点实验室材料的断裂在外力作用下，一块材料分裂为两块或两块以上的现象称为断裂现象称为断裂。
断裂是最具破坏力的一种材料失效形式。
断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。
这是由于材料的实际断裂强度往往远低于其理论断裂强度，这是由于实际材料中不可避免的存在各种裂纹和类裂纹等初始缺陷。
近代断裂力学的研究揭示了断裂的实质在于裂纹的扩展，提出基于断裂韧性的评价准则。
材料的断裂在工程应用中，根据断裂前是否发生宏观塑性变形，把断裂分为：脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断裂突然发生，无明显的征兆。
韧性断裂：断裂前有明显的塑性变形，断裂发展较慢。
通常，脆性断裂断口平整，而韧性断裂断口粗糙。
根据断裂面取向分为正端和切断。
正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直。
是由切应力引起的，断裂面与最大切应力方向一致。
切断是由切应力引起的，断裂面与最大切应力方向致。
正断切断材料的断裂就裂纹扩展路线而言，可分为穿晶断裂与沿晶断裂。
裂纹穿过晶粒内部有时材料的断裂既包含穿晶断裂，也包含沿晶断裂。
穿晶断裂既可能是脆性断裂也可能是韧性断裂，而沿晶断裂一般为脆性断裂。
就断裂机理而言可分为沿晶断裂穿晶断裂穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展材料的受力状态和周围环境介质不同，则断裂特点也不同就断裂机理而言，可分为解理断裂、准解理断裂、沿晶脆性断裂、微孔聚合型断裂、滑移延伸型断裂拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂……冲击断裂、疲劳断裂……低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、氢脆断裂等……材料的断裂材料断裂后的自然表面称为断口，断口位置一般是材料中性能最薄弱或应力最大的部位，断口的形貌、轮廓线和粗糙度等特征记录了有关断裂过程中的许多资料通过断口分析可以了解材料断裂录了有关断裂过程中的许多资料，通过断口分析可以了解材料断裂破坏的力学特点及机理，如查明断裂原因、推断断裂过程、确定断裂性质及断裂机理等，进而可为改善设计、防止失效等提供依据。
第12讲 断裂影响因素及现象分析
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Lesson Twelve
▪ 金属材料的化学成份和组织状态 ▪ 不同含碳量对钢的冲击韧性的影响。随着含碳量的
增加，冲击韧性明显降低，而且脆性转变温度上升， 所以为避免低温脆性多选用含碳量低于0.2％以下 的钢。
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Lesson Twelve
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▪ 内部裂纹 ▪ 现象
Lesson Twelve
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Lesson Twelve
▪ 为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂现象发 生，对挤压来说就是增大挤压比；对拉拔来说，就 是增加l/d。
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加软垫的镦粗情况
Lesson Twelve
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用活动套环(a)和 包套(b)镦粗
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Lesson Twelve
包套镦粗
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▪ 锻造时的内部裂纹 ▪ 现象
Lesson Twelve
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6.3.1 锻造时的断裂
Lesson Twelve
▪ 锻造时的表面开裂 ▪ 现象
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Lesson Twelve
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Lesson Twelve
▪ 产生原因
▪ 自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对 镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面 周向承受拉应力。
《影响断裂类型的因素》课件
锻造时的内部裂纹
.平锤头flat hammer锻压方坯 square billet
A难变形区 三向压应力 沿对角线方向 金属剧烈错动 翻转90°压缩 相反方向错动 反复错动→ 疲劳开裂
fatigue
平锤头锻压圆坯round billet 无外端→双鼓形(a)
措施：采用槽形和弧形锤头， 减少坯料中心处的水平拉应力，增大压应力。
3 Fracture in extrusion /drawing 挤压/拉拔
挤制铝型材
Surface crack 表面裂纹
挤压筒和挤压模之间存 在摩擦 →中心流动快/表面层流 动慢 →中部受压/边部受拉 →摩擦很大时，边部金 属断裂 →周期性表面裂纹 →竹节状，棘棒状
extrusion container 挤压筒 extrusion die 挤压模
2 fracture in rolling 轧制
轧板时的表面开裂
－ 凹形辊concave roll易出现中部周期裂纹center periodic crack。
－ 平辊轧制 flat roll rolling
易产生边部周期裂纹edge periodic crack， 还可导致板材端头中央劈裂split。
从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度Tc
※韧-脆转变温度 Ductile-brittle transition temperature (DBTT)
解释: T对断裂应力σf/屈 服强度σs影响不同
T↓对σf影响不大, 对σs影响显著
T>T c. σf > σs ductile T< T c. σf < σs brittle
Measures措施: (1)↓contact friction 减小摩擦↑finish光洁度
(山东省专用)2015届高考地理第一轮总复习精讲 第12讲 全球气候变化及其对人类的影响(含解析)
课时作业(十二)[第12讲全球气候变化及其对人类的影响]一、选择题阅读下列材料，回答1～3题。
材料一图K12－1为历史时期我国东部地区冬半年气温距平及平均气温变化曲线图。
图K12－1材料二明清时期长江下游地区双季稻播种面积大为减小。
在江浙一带，水稻不能正常成熟，多空壳瘪粒。
在广东地区，一年三熟制不复存在，一年两熟制的范围也大大缩减，水稻的生长发育受到制约，常有烂秧、少穗和较高空秕率现象发生，导致水稻大幅度减产。
1．历史时期我国东部地区冬半年气温变化的特点是()A．持续上升B．波动上升C．稳定D．波动变化2．导致材料二所述情况发生的主要原因是()A．战乱使农业设施遭到破坏B．气温偏低C．农业生产技术水平停滞不前D．劳动力不足3．为应对明清时期出现的粮食短缺问题，下列措施中可行的是()①扩大水稻种植面积②种植耐寒的粮食作物③改良农业生产技术④从国外进口粮食A．①④B．①②C．②③D．③④澳大利亚有关部门在澳大利亚洲海岸附近发现了漂浮的冰山。
目前新西兰沿海海域有数百座巨大冰山逐步向新西兰靠近，如此规模的冰川漂浮现象70多年来实属罕见。
据此回答4～5题。
4．在离南极如此之远、水温相对较暖的海域出现数百座巨大冰山的主要原因是() A．现在南极地区处于夏季，气温高B．现在南极地区处于极昼，气温高C．全球变暖引起南极地区降雪量增多D．全球变暖导致海平面和大气温度上升5．下列叙述错误的是()A．冰川是地球上最主要的淡水资源B．冰川正被人类大量直接利用C．新西兰沿海海域有数百座巨大冰山将影响轮船航行D．随着气候的变迁与温室效应，未来可能还会有更多冰山融化漂流图K12－2为一张北极冰盖融化时的图片，酷似哭泣的人脸，被人们富有深意地命名为“‘大自然母亲’在哭泣”。
据此完成6～7题。
图K12－26．图K12－2反映的环境问题是()A．海洋环境污染B．生物多样性减少C．臭氧层被破坏D．全球变暖7．针对此环境问题可采取的措施有()①植树造林②控制酸性气体排放③发展新能源、节能技术等④减少对臭氧层的破坏⑤改善能源结构，控制温室气体排放A．①②③B．①③⑤C．②③④D．③④⑤图K12－3为我国两个时段多年平均等温线(单位：℃)变化比较图。
《论金属的断裂》word版
论述金属的断裂成型二班金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。
机件的三种主要失效形式是磨损、腐蚀和断裂。
其中断裂的危害最大。
一、断裂的分类根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。
可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。
按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。
解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。
解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。
对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
二、拉伸断口分析断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。
记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。
脆性断裂ppt课件
2
1
sin
2
2
cos2
2
厚板平面应变状态
u 21 KI
E
r
2
cos
2
2
2
cos
2
2
v 2 KI E
r
2
sin
2
2
2
cos2
2
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应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的 重要参数，下标Ⅰ代表Ⅰ型裂纹
能量
a
E
能量释放率 U a 2 G －
a
E
a)
（裂纹扩展的驱动力）
释放率 G
裂纹扩展的阻力
W a
2
Ge
b)
裂纹长度 a* 整体能量 E U W
弹性能释放能量 U 2a 2 E
势能释放率 G U a
表面能/单位扩展 4 W a
5
4.1.2 延性断裂（韧性断裂） 塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形 →载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形 →继续变形，作用力增加（加工硬化） →加大载荷，产生微裂口或微空隙 →微空隙扩展汇合成宏观裂纹 →宏观裂纹发展到一定尺寸 →最终快速失稳断裂
6
韧性断口：微孔洞（韧窝） 韧性断裂的过程：微孔成核、微孔长大和
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一、动态裂纹扩展
（G - R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小
若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度
无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展
速度为
V
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Lesson Twelve
锻造时的断裂 轧制时的断裂 挤压拉拔时的断裂
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Lesson Twelve
6.3.1 锻造时的断裂
锻造时的表面开裂 现象
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Lesson Twelve
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Lesson Twelve
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Lesson Twelve
防止或减轻措施 (1)减少工件与工具间的接触摩擦，提高接触表面的 光洁度，采用适当高效能的润滑剂； (2)采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压 缩，使周向拉应力减少。 (3)采用软垫 (4)采用活动套环和包套
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Lesson Twelve
由此可见，金属材料变形时的拉应力状态越强， 变形速度越高，材料的脆化倾向越大。
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Lesson Twelve
金属材料的化学成份和组织状态 不同含碳量对钢的冲击韧性的影响。随着含碳量的 增加，冲击韧性明显降低，而且脆性转变温度上升， 所以为避免低温脆性多选用含碳量低于 0.2 ％以下 的钢。
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十二讲 Lesson Twelve
断裂影响因素及现象分析
Lesson Twelve
第六章 金属的断裂
主要内容
Main Content 断裂的基本类型及物理本质 影响断裂类型的因素
塑性加工中的断裂现象分析
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Lesson Twelve
如果变形温度不变，改变其他参数，如晶粒度，变形速度， 应力状态等，同样也会出现塑性－脆性转变现象。 对这种现象的解释，可以认为断裂应力sf对温度不够敏感， 热激活对脆性裂纹的传播不起多大作用，但屈服强度ss却随 温度变化很大，温度越低， ss越高。将ss与 sf对温度作图， 则两条曲线的交点所对应的温度就是Tc。当T ＞ Tc时， sf ＞ ss ，此时材料要经过一段塑性变形后才能断裂，故表现 为韧性断裂；在T ＜ Tc 时， sf ＜ ss ，此时材料未来得及塑 性变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。
无论挤压与拉拔，减少摩擦阻力，会使金属流动不 均匀性减轻，从而可以防止裂纹的产生。 防止裂纹的有效方法是加强润滑，例如铝合金热挤 压采用油－石墨润滑剂，钢热挤时采用玻璃作润滑 剂。因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以外，还 有垂直压力和接触面积的影响；对挤压和拉拔来说 还可以采用反向挤压、反张力拉拔，辊式模拉伸等 方法来减少有害摩擦，防止断裂现象的发生。
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Lesson Twelve
添 加 Mn 或 Ni 可 以 有 效 地降低转变温度。因为 两者都能使晶粒细化， 此 外 Mn 还 能 抑 制 碳 化 物沿晶界析出； Ni 能促 使位错产生交滑移避免 应力集中，这些都有助 于转变温度的降低。
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低碳钢的断裂应力和屈服应力与晶 粒大小的关系
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内部裂纹 现象
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Lesson Twelve
为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂现象发 生，对挤压来说就是增大挤压比；对拉拔来说，就 是增加l/d。
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Lesson Twelve
课后作业 Homework 习题集P40，第5、7、8、10题。
Lesson Twelve
凹形轧辊轧制平板时的裂纹
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Lesson Twelve
为避免上述断裂现象的发生，首先是要有适 宜的良好辊型和坯料尺寸形状。其次是制定 合理的轧制工艺规程(压下量控制、张力调整、 润滑适宜等等)。
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Lesson Twelve
轧制时内部裂纹 现象
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Lesson Twelve
影响塑性－脆性转变的主要因素
变形温度 变形速度 应力状态 组织结构 ……
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Lesson Twelve
变形温度 大多数金属材料 ( 除面心立方以外 ) 的变形中有一个 重要的现象：随着变形温度的改变都有一个从韧性 断裂到脆性断裂的转变温度，称此温度为脆性转变 温度，常以 Tc来表示。在此温度以上是韧性断裂， 在此温度以下是脆性断裂。 对一定材料来说，脆性转变温度越高，表征该材料 脆性趋势愈大。
产生原因 自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对 镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面 周向承受拉应力。 当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常 出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直 (图a)。 当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便 出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与 最大主应力成45°角(图b)。
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应力状态 应力状态对塑性－脆性转变的影响，可采用不同深 度缺口的拉伸试样来进行。缺口越深越尖锐三向拉 应力状态越强。试验表明，拉应力状态越强，材料 的脆性转变温度越高，脆性趋势越大。
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LБайду номын сангаасsson Twelve
切口的试样比无缺口试样 的脆性转变温度有明显提 高。冲击弯曲由于变形速 度极快引起 ss 提高，所以 与静弯曲（ B ）相比脆性 转变温度也明显提高。
加软垫的镦粗情况
用活动套环(a)和 包套(b)镦粗
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Lesson Twelve
包套镦粗
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锻造时的内部裂纹 现象
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Lesson Twelve
产生原因
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对角十字横裂
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Lesson Twelve
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Lesson Twelve
6.2 影响断裂类型的因素
塑性与脆性并非金属固定不变的特性，象金属钨， 虽在室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑 性。在拉伸时为脆性的金属，在高静水压下却呈现 塑性。在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、 低温、高变形速度时却可能变得很脆。所以，金属 是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和 外在条件。因此，对塑性加工来说，很有必要了解 塑性－脆性转变条件，尽可能防止脆性，向有利于 塑性提高方面转化。
方形件锻压延伸变形图示
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锻压圆坯时产生的十字横裂
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改变工具形状以减小锻压内裂
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6.3.2 轧制时的断裂
轧板时的表面开裂 现象
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Lesson Twelve
钢材经淬火后高温 调质处理得到索氏 体组织，这对降低 脆性转变温度是极 为有效的。 图中表明调质钢与 正火钢和热轧钢相 比，脆性转变温度 明显降低。
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Lesson Twelve
6.3 塑性加工中的断裂现象分析
塑性加工中的断裂除因铸锭质量差（如铸造时产生 的疏松、裂纹、偏析和粗大晶粒等）和加热质量不 良所造成过热、过烧的原因外，绝大多数的断裂是 属于不均匀变形所造成的。 在生产中因工艺条件和操作上的不合理，会发生各 种断裂。因此，应结合具体金属的塑性加工工艺过 程和断裂现象，分析其断裂原因，进而找出防止断 裂的措施。
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Lesson Twelve
厚件轧制变形及纵向附加应力的分布情况
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Lesson Twelve
6.3.3 挤压拉拔时的断裂
表面裂纹 现象
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Lesson Twelve
拉拔时金属表面的裂纹
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Lesson Twelve
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Lesson Twelve
sf 和 ss与温度的关系
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Lesson Twelve
变形速度 变形速度的影响与变形温度类同，由于变形速度的 提高，塑性变形来不及进行而使 ss增高，但变形速 度对断裂抗力 sf影响不大。所以在一定的条件下， 就可以得到一个临介变形速度 ec ，高于此值便产生 脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的 效果。