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1、1,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,2021/4/5,2,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,2021/4/5,3,6.2 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
2、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。,2021/4/5,4,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 ,2021/4/5,5,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。,2021/4/5,6,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，
3、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。,2021/4/5,7,sf 和 ss与温度的关系,2021/4/5,8,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s
4、f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。,2021/4/5,9,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。,2021/4/5,10,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。,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。,2021/4/5,11,金属材料的化
5、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。,2021/4/5,12,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。,低碳钢的断裂应力和屈服应力与晶粒大小的关系,2021/4/5,13,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。,2021/4/5,14,6.3 塑性加工中的断裂
6、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。,2021/4/5,15,锻造时的断裂 轧制时的断裂 挤压拉拔时的断裂,2021/4/5,16,6.3.1 锻造时的断裂,锻造时的表面开裂 现象,2021/4/5,17,2021/4/5,18,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
7、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)。,2021/4/5,19,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,2021/4/5,20,用活动套环(a)和包套(b)镦粗,加软垫的镦粗情况,2021/4/5,21,包套镦粗,2021/4/5,22
8、,锻造时的内部裂纹 现象,2021/4/5,23,产生原因,对角十字横裂,2021/4/5,24,方形件锻压延伸变形图示,2021/4/5,25,锻压圆坯时产生的十字横裂,2021/4/5,26,改变工具形状以减小锻压内裂,2021/4/5,27,6.3.2 轧制时的断裂,轧板时的表面开裂 现象,2021/4/5,28,凹形轧辊轧制平板时的裂纹,2021/4/5,29,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)。,2021/4/5,30,轧制时内部裂纹 现象,2021/4/5,31,厚件轧制变形及纵向附加
9、应力的分布情况,2021/4/5,32,6.3.3 挤压拉拔时的断裂,表面裂纹 现象,2021/4/5,33,拉拔时金属表面的裂纹,2021/4/5,34,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。,2021/4/5,35,内部裂纹 现象,2021/4/5,36,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。,2021/4/5,37,课后作业Homework,习题集P40，第5、7、8、10题。,