材料力学金属的断裂(课件)

属流动的不均匀性
保持挤压件的表面温度
总结 １．断裂类型 ２．断裂的发生和发展过程 影响因素
３．压加中断裂的主要形式及防止措施
不均匀变形 → 产生σ附(+) → 开裂
思考题 1.写出Griffith 公式(临界应力公式).它有何意义? 它是如何推导出来的? 2.裂口形核的基本思想是什么?它有哪些具体的 机理?
一般金属材料：σm≈ 2000 kg/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σm时，缺陷处的应力集中已超过σm，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 σc
α＜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 Ⅲ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⊥σ环 ，如图(a) T℃较低，穿晶切断，沿τmax 断裂 裂口与σ环成45°角，如图(b)
2．防止措施
σ环↓——不均匀变形↓，鼓形↓ ① f↓ 提高表面光洁度，采用润
当σ＜ σc时，裂口不能扩大
当σ＞ σc时，裂口迅速扩大，导致断裂
２．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σ作用
e —— 裂口扩展所需的能
e = e1+ e2
e1 —— 裂口扩展所降低的弹性能
e2 —— 裂口扩展所增加的表面能
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：① 裂口生成、发展均很慢 断裂前能产生显著的塑性变形
② 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∥τmax 断裂面即是滑移面 如：密排六方的金属单晶
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
① △h↑ 变形渗透性↑，附加拉应力↓
② 送进量 l↑ 如下图(b) l =(0.6~0.8)h
③ 增加轧辊直径 D 有利于内部缺陷的焊合
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σc条件 →裂口扩展→脆断
ac
X＜ac时，随外力↑(X↑)，结合力↑
X
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 σm
当外力 P 使得 σ＞σm时，导致晶体断裂 称σm为理论断裂强度 σm 的估算公式：
σm= (E·γ/a)1/2
E—— 弹性模量
γ—— 单位面积的表面能
a—— 原子面间距
滑剂
② 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↓， σ环 ↓
③ 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
十字形
当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射状
② 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
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 作用下产生微孔 裂口沿垂直于拉 微孔合并长大 形成小裂口
伸方向扩展，接
近表面
沿τmax 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
１．平锤头锻压方坯时产生X形内裂
① 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 c)对角线方向ε最大 1
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
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 单向拉伸 扭转 单向压缩 α=0.5 α=0.8 α=2
三向不等压缩α= ∞
压应力↑ α↑—— 韧断
一般 α＞0.5 软应力状态 韧性断裂
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 ≈ －1/2σ·ε×πc2 = －πc2σ2/2E 更精确计算出的值为粗略估计值的二倍，即：
e1 = －πc2σ2/E
e2 = 单位面积表面能×裂口总面积 = 4cγ
e = 4cγ
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
１．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 ２．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
② 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)h
b)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 ①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)，
Griffith公式
σ＞ σc 时，裂口才能扩展
c↑、 σc ↓ 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：
σc= {E(γ+ γ p)/c}1/2 ≈ (Eγp/c)1/2
γ p ：裂缝扩展时单位面积所需的塑性功 γ＜＜γ p
， γ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
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
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
原子间作用力与原子间距(X)的关系 σm
导致裂口成核。但此时裂口还不能
扩展，只有当应力达到σf 时才造
成断裂 ——韧性断裂
当温度t＜tk 时，σf＜σs ，材 料先达到σf，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σs 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
七．拉拔时的内裂
１．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
２．防止措施 增加 l/d0 减小模孔锥角 α
增加 ε，使变形深入到棒材的轴心区
八．挤压时的竹节状裂纹
１．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
２．防止措施
加润滑，减小 f ，减轻金
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
①及时倒棱
② 加热时防止角部过热或过烧
③ 适当轻打
五．锻压延伸及轧制时产生的端裂（劈头）
１．产生原因
锤击过重时，端面鼓形严重，Ⅱ区质点向
外鼓胀，使Ⅲ区外表面受拉力Q作用，在
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