５．金属的断裂５．金属的断裂 本章重点：本章重点：*研究金属在塑性变形时裂纹发生和研究金属在塑性变形时裂纹发生和 发展的规律性发展的规律性 *变形条件对金属断裂的影响变形条件对金属断裂的影响 *塑性加工中金属的断裂塑性加工中金属的断裂 金属的断裂 5.1 断裂的基本类型断裂的基本类型 弹性变形弹性变形→塑性变形塑性变形→断裂断裂 1．脆性断裂．脆性断裂 在正应力作用下，物体极快地在正应力作用下，物体极快地 沿沿解理面解理面发生发生 断裂断裂 解理面一般指晶面指数较低的面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脆性解理断裂的裂纹传播速度可 达达 1030 m/s金属的断裂 特点：特点：①① 裂口生成、发展均很快裂口生成、发展均很快 断裂前没有明显的塑性变形，断裂前没有明显的塑性变形，ε＜＜5% ②②断口平整（破断面和拉应力接近于断口平整（破断面和拉应力接近于 正交）有金属光泽正交）有金属光泽 断口断口⊥⊥σmax 断口沿解理面断口沿解理面 在电镜下可看到解理亮面在电镜下可看到解理亮面 二种情况：二种情况：沿解理面的穿晶断裂沿解理面的穿晶断裂 —— 河流状、舌状花纹河流状、舌状花纹沿晶界的晶间断裂沿晶界的晶间断裂 —— 冰糖状、颗粒状冰糖状、颗粒状金属的断裂 穿晶断裂穿晶断裂 ——断裂时裂纹发展穿过晶粒内部断裂时裂纹发展穿过晶粒内部(韧断韧断)晶间断裂晶间断裂 ——断裂时裂纹发展沿着晶界断裂时裂纹发展沿着晶界 (脆断脆断)金属的断裂 2．韧性断裂．韧性断裂在切应力作用下，先产生一定量的在切应力作用下，先产生一定量的塑性变形，然后断裂。
塑性变形，然后断裂特点：特点：①① 裂口生成、发展均很慢裂口生成、发展均很慢 断裂前能产生显著的塑性变形断裂前能产生显著的塑性变形 ②② 断口粗糙、无光泽，呈暗断口粗糙、无光泽，呈暗 灰色纤维状灰色纤维状 电子显微镜下可看到韧窝、撕裂岭电子显微镜下可看到韧窝、撕裂岭金属的断裂 韧性断裂的断口具体表现形式有：韧性断裂的断口具体表现形式有：低塑性材料：切变断裂低塑性材料：切变断裂 断口断口∥∥τmax 断裂面即是滑移面断裂面即是滑移面 如：密排六方的金属单晶如：密排六方的金属单晶高塑性材料：拉缩成一点断开高塑性材料：拉缩成一点断开 如：如：Au、、Pb、、Fe等单晶体等单晶体金属的断裂 一般塑性材料：断口呈杯锥状一般塑性材料：断口呈杯锥状 杯锥状断口杯锥状断口 双杯锥状断口双杯锥状断口 钢与合金钢与合金 纯金属断口纯金属断口韧性断裂主要表现为穿晶断裂韧性断裂主要表现为穿晶断裂金属的断裂 5.2 裂缝的生成和发展裂缝的生成和发展一．理论断裂强度一．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面被拉断时的断裂强度 主要取决于原子间主要取决于原子间 结合力对断裂的抗力结合力对断裂的抗力金属的断裂 X＜＜ac时，随外力时，随外力↑(X↑)，结合力，结合力↑X＞＞ac时，随外力时，随外力↑(X↑)，结合力，结合力↓→ 0 最后导致断裂最后导致断裂X＝＝ac时，原子间结合力最大时，原子间结合力最大 σmXac原子间作用力与原子间距原子间作用力与原子间距(X)的关系的关系σm金属的断裂 当外力当外力 P 使得使得 σ＞＞σm时，导致晶体断裂时，导致晶体断裂称称σm为理论断裂强度为理论断裂强度σm 的估算公式：的估算公式：σm= (E·γ/a)1/2 E—— 弹性模量弹性模量 γ—— 单位面积的表面能单位面积的表面能 a—— 原子面间距原子面间距一般金属材料：一般金属材料：σm≈ 2000 kg/mm2 与实际情况不附与实际情况不附金属的断裂 二．二．Griffith理论理论1．理论的引出．理论的引出假设：在实际晶体中存在各种缺陷假设：在实际晶体中存在各种缺陷(微裂口微裂口)，在外力作，在外力作用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均应力未达用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均应力未达到到σm时，缺陷处的应力集中已超过时，缺陷处的应力集中已超过σm，使裂口得以逐，使裂口得以逐步发展，结果导致实际断裂强度大为下降。
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认为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值σc当当σ＜＜ σc时，裂口不能扩大时，裂口不能扩大当当σ＞＞ σc时，裂口迅速扩大，导致断裂时，裂口迅速扩大，导致断裂金属的断裂 ２．２．Griffith公式公式 (临界应力公式临界应力公式)设有一块薄板，厚度设有一块薄板，厚度=1个单位，内有个单位，内有一椭圆形裂口，小裂口长度为一椭圆形裂口，小裂口长度为 2c 薄板受均匀的拉应力薄板受均匀的拉应力σ作用作用 e —— 裂口扩展所需的能裂口扩展所需的能 e = e1+ e2 e1 —— 裂口扩展所降低的弹性能裂口扩展所降低的弹性能 e2 —— 裂口扩展所增加的表面能裂口扩展所增加的表面能金属的断裂 e1=单位体积弹性能单位体积弹性能×裂口总体积裂口总体积裂口所松驰的弹性能可近似看作形成直径为裂口所松驰的弹性能可近似看作形成直径为 2c 的无应的无应力区域所释放的能量力区域所释放的能量粗略估计值：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：更精确计算出的值为粗略估计值的二倍，即： e1 = －－πc2σ2/Ee2 = 单位面积表面能单位面积表面能×裂口总面积裂口总面积 = 4cγ e = 4cγ －－πc2σ2/E金属的断裂 讨论讨论c＜＜ck c↑、、e↑c＞＞ck c↑、、e↓ck：裂口扩展临界长度：裂口扩展临界长度 裂口传播的条件裂口传播的条件裂口的长度对应于能量裂口的长度对应于能量 e = e1+ e2 的极大值，裂口的极大值，裂口就可自发的扩展就可自发的扩展emax de/dc=0 4γ－－2πσ2c/E=0金属的断裂 裂口传播的临界拉应力为：裂口传播的临界拉应力为：σc= (2Eγ/πc)1/2 ≈ (Eγ/c)1/2 Griffith公式公式 σ＞＞ σc 时，裂口才能扩展时，裂口才能扩展 c↑、、 σc ↓ 裂口长度越大，所需临界应力越小裂口长度越大，所需临界应力越小Griffith理论较适合于非晶体和脆性材料理论较适合于非晶体和脆性材料金属的断裂 该理论的不完善性：未能反映塑性变形在该理论的不完善性：未能反映塑性变形在 断裂中的作用断裂中的作用Griffith-Orowan修正公式：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：裂缝扩展时单位面积所需的塑性功 γ＜＜＜＜γ p ，， γ可忽略不计可忽略不计金属的断裂 三．裂口形核机理三．裂口形核机理基本思想：基本思想：位错理论位错理论在外力作用下，刃型位错的合并可构成裂口的在外力作用下，刃型位错的合并可构成裂口的胚芽胚芽金属的断裂 几种具体机理：几种具体机理：1．位错塞积机理．位错塞积机理 位错沿某一滑移面移动受阻，在障碍物前塞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，形成裂口积，产生极大的应力集中，形成裂口金属的断裂 2．位错反应机理．位错反应机理 二位错发生反应生成不易移动的新位错，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，形成裂口使位错塞积，产生大的应力集中，形成裂口金属的断裂 3．位错消毁机理．位错消毁机理 在两个滑移面间距在两个滑移面间距 h＜＜ 10个原子层的滑移面个原子层的滑移面 上，有着不同号的刃型位错，在切应力作用下，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，形成裂口位错进入穴中，造成严重的应力集中，形成裂口金属的断裂 4．位错墙侧移机理．位错墙侧移机理 由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯 折，形成裂口折，形成裂口金属的断裂 结论：结论：刃型位错合并、堆积刃型位错合并、堆积→应力应力集中集中→断裂源断裂源→达到达到σc条件条件→裂口扩展裂口扩展→脆断脆断金属的断裂 5.3 韧性断裂的裂口形成与发展韧性断裂的裂口形成与发展一．韧性断裂的形成过程一．韧性断裂的形成过程均匀拉伸均匀拉伸 产生细颈产生细颈 在三向拉应力在三向拉应力 微孔合并长大微孔合并长大 作用下产生微孔作用下产生微孔 形成小裂口形成小裂口裂口沿垂直于拉裂口沿垂直于拉伸方向扩展，接伸方向扩展，接近表面近表面沿沿τmax 方向断裂方向断裂形成杯锥状形成杯锥状↑↓金属的断裂 二．微孔的形成二．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粒子的地方形成产生微孔的机理产生微孔的机理1．杂质与基体界面发生剥离．杂质与基体界面发生剥离 这是由变形不协调产生的这是由变形不协调产生的杂质引起应力集中现象，产生杂质引起应力集中现象，产生微孔微孔 金属的断裂 金属的断裂 2．杂质本身的破碎．杂质本身的破碎3．因位错塞积，造成应力集中，形成微裂纹．因位错塞积，造成应力集中，形成微裂纹三．裂口的发展与修复三．裂口的发展与修复裂口的发展过程：亚显微破坏裂口的发展过程：亚显微破坏(形成微孔形成微孔)→显微显微破坏破坏(形成小裂口形成小裂口)→宏观破坏宏观破坏(裂口发展裂口发展)→断裂断裂裂口的修复过程：已形成的破坏在变形过程中得裂口的修复过程：已形成的破坏在变形过程中得 以修复以修复金属的断裂 影响裂口发展与修复的因素影响裂口发展与修复的因素1．变形温度．变形温度 温度升高，有利于修复温度升高，有利于修复2．应力状态．应力状态 应力集中应力集中↑、拉应力、拉应力 —— 裂口发展，不利修复裂口发展，不利修复 压应力压应力 —— 破坏表面贴合，原子间联系力恢复破坏表面贴合，原子间联系力恢复3．表面状态．表面状态 裂口表面干净、无污染，没有外来原子的吸附，易裂口表面干净、无污染，没有外来原子的吸附，易 愈合愈合金属的断裂 5.4 影响断裂类型的因素影响断裂类型的因素一．变形温度一．变形温度σf —— 正断抗力正断抗力σs —— 塑性变形抗力塑性变形抗力 当温度当温度t＞＞tk 时，时，σf＞＞σs ，材料，材料先达到先达到σs，产生大量的塑性变形，，产生大量的塑性变形，导致裂口成核。
但此时裂口还不能导致裂口成核但此时裂口还不能扩展，只有当应力达到扩展，只有当应力达到σf 时才造时才造成断裂成断裂 ——韧性断裂韧性断裂金属的断裂 当温度当温度t＜＜tk 时，时，σf＜＜σs ，材，材料先达到料先达到σf，但此时并不发，但此时并不发生断裂，因为此时材料中并生断裂，因为此时材料中并无裂口只有当应力达到无裂口只有当应力达到σs 时，裂口才成核，并随即迅时，裂口才成核，并随即迅速扩展而导致断裂，没有明速扩展而导致断裂，没有明显的塑性变形显的塑性变形 ——脆性断裂脆性断裂tk —— 脆性转化温度脆性转化温度金属的断裂 二．变形速度二．变形速度 变形速度变形速度↑，材料趋向于，材料趋向于 脆性断裂脆性断裂 k : 临界变形速度临界变形速度 ＞＞ k σf＜＜σs —— 脆性断裂脆性断裂 ＜＜ k σf＞＞σs —— 韧性断裂韧性断裂金属的断裂 三．应力状态三．应力状态 用用 软性系数软性系数 α= τmax/σmax 表示表示 τ—— 推动位错移动，决定位错堆积的数目，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对塑性变形和断裂的发生和发展过程都 有影响有影响 σ—— 只影响断裂的发展过程，拉应力促使裂只影响断裂的发展过程，拉应力促使裂 缝的发展。
缝的发展 因此，软性系数值越大越易发生韧性断裂因此，软性系数值越大越易发生韧性断裂金属的断裂 采用如下公式计算采用如下公式计算τmax和和σmax τmax = (σ1－－σ3)/2 σmax = σ1－－υ(σ2＋＋σ3) 取取 υ= 0.25金属的断裂 得到：三向等拉伸得到：三向等拉伸 α=0 单向拉伸单向拉伸 α=0.5 扭转扭转 α=0.8 单向压缩单向压缩 α=2 三向不等压缩三向不等压缩α= ∞ 压应力压应力↑ α↑—— 韧断韧断一般一般 α＞＞0.5 软应力状态软应力状态 韧性断裂韧性断裂 α＜＜0.5 硬应力状态硬应力状态 脆性断裂脆性断裂 金属的断裂 5.5 塑性加工中金属的断裂塑性加工中金属的断裂一．镦粗时的侧面开裂一．镦粗时的侧面开裂1．产生原因．产生原因Ⅲ区鼓形处受有环向拉应力作用区鼓形处受有环向拉应力作用T/℃过高，晶界强度减弱，易沿晶过高，晶界强度减弱，易沿晶 界拉裂界拉裂, 裂口裂口⊥⊥σ环环 ，如图，如图(a)T/℃较低，穿晶切断，沿较低，穿晶切断，沿τmax 断裂断裂 裂口与裂口与σ环环成成45°角，如图角，如图(b)金属的断裂 2．防止措施．防止措施σ环环↓——不均匀变形不均匀变形↓，鼓形，鼓形↓①① f↓ 提高表面光洁度，采用润提高表面光洁度，采用润 滑剂滑剂金属的断裂 ②② 加软垫加软垫 压缩开始，软垫先变形，拖着工件端面一起向压缩开始，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，凹加工硬化，工件开始显著变形，凹→平平→凸凸 ，，鼓形鼓形↓，， σ环环 ↓ 金属的断裂 ③③ 活动套环或包套镦粗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，低，变形抗力大，对坯料的流动起限制作用，增加三向压应力。
增加三向压应力金属的断裂 二．锻压延伸时的内部裂纹二．锻压延伸时的内部裂纹１．平锤头锻压方坯时产生１．平锤头锻压方坯时产生X形内裂形内裂 ①① 产生原因产生原因 a) 锻压时，对角线方向金属流动发生错动锻压时，对角线方向金属流动发生错动 每翻转每翻转90°，金属错动方向改变，金属错动方向改变金属的断裂 b)铸造组织铸造组织 钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方，钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方， 为薄弱环节为薄弱环节 有柱状晶更易开裂有柱状晶更易开裂c)对角线方向对角线方向ε最大最大热效应大，温升高，对角线处易过烧，导致开裂热效应大，温升高，对角线处易过烧，导致开裂 若中心薄弱，裂纹如图若中心薄弱，裂纹如图c上上 若角部薄弱，裂纹如图若角部薄弱，裂纹如图c下下 金属的断裂 ②② 预防措施预防措施a)减小送进量减小送进量l 工件与工具的接触长度工件与工具的接触长度 一般一般 l=(0.6～～0.8)hb)减小柱状晶减小柱状晶c)减小压下量减小压下量△△h 1金属的断裂 1金属的断裂 2．平锤头锻压圆锭时产生的内裂．平锤头锻压圆锭时产生的内裂①①产生原因产生原因 锻压圆锭时，相当于压缩厚件。
假若没有外锻压圆锭时，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拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力金属的断裂 当翻转当翻转90°锻成方坯时，裂纹如图锻成方坯时，裂纹如图(d)，， 十字形十字形当旋转锻造圆坯时，裂纹如图当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射，放射状状金属的断裂 ②② 防止措施防止措施 采用槽形或弧形锤头，增加侧压，使附加采用槽形或弧形锤头，增加侧压，使附加 拉应力拉应力↓金属的断裂 用图用图(a)的各种锤头锻压圆坯时，都有或多或少的在坯料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；而用图中心处出现裂纹；而用图(b)所示的两种锤头压缩时，总所示的两种锤头压缩时，总变形量达变形量达40%都还未出现任何裂纹都还未出现任何裂纹金属的断裂 可见，最好采用如下两种锤头可见，最好采用如下两种锤头:顶角不超过顶角不超过110°的槽形锤头的槽形锤头R≤r、包角为、包角为100°~110°的弧形锤头的弧形锤头R—— 弧形的曲率半径弧形的曲率半径r ── 圆坯半径圆坯半径 1金属的断裂 三．锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹三．锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹1．产生原因．产生原因当当 l/h＜＜0.5时，在断面中心产生纵向拉应力。
时，在断面中心产生纵向拉应力金属的断裂 2．防止措施．防止措施①① △△h↑ 变形渗透性变形渗透性↑，附加拉应力，附加拉应力↓②② 送进量送进量 l↑ 如下图如下图(b) l =(0.6~0.8)h③③ 增加轧辊直径增加轧辊直径 D 有利于内部缺陷的焊合有利于内部缺陷的焊合金属的断裂 四．锻压延伸及轧制时产生的角裂四．锻压延伸及轧制时产生的角裂1．产生原因．产生原因未及时倒棱，角部温降大，产生拉伸热应力未及时倒棱，角部温降大，产生拉伸热应力角部变形抗力大，延伸小，产生附加拉应力角部变形抗力大，延伸小，产生附加拉应力2．防止措施．防止措施①①及时倒棱及时倒棱②② 加热时防止角部过热或过烧加热时防止角部过热或过烧③③ 适当轻打适当轻打金属的断裂 五．锻压延伸及轧制时产生的端裂（劈头）五．锻压延伸及轧制时产生的端裂（劈头）１．产生原因１．产生原因锤击过重时，端面鼓形严重，锤击过重时，端面鼓形严重，Ⅱ区质点向区质点向外鼓胀，使外鼓胀，使Ⅲ区外表面受拉力区外表面受拉力Q作用，在作用，在此拉力的作用下，使轧件端面开裂此拉力的作用下，使轧件端面开裂2．防止措施．防止措施正常锻压前先锻头部，改善端正常锻压前先锻头部，改善端部的塑性部的塑性避免轧件表面温度降低过大避免轧件表面温度降低过大金属的断裂 六．轧板时的边裂和薄件的中部裂六．轧板时的边裂和薄件的中部裂 １．产生原因１．产生原因 凸辊轧制：边部受纵向附加拉应力，出现边裂凸辊轧制：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２．防止措施 限制边部自由宽展，防止边裂限制边部自由宽展，防止边裂 采用合适的辊型和坯料断面形状采用合适的辊型和坯料断面形状金属的断裂 七．拉拔时的内裂七．拉拔时的内裂 １．产生原因１．产生原因 当当 l/d0 较小时，只产生表面变形，中心部位受附加较小时，只产生表面变形，中心部位受附加拉应力拉应力 ２．防止措施２．防止措施 增加增加 l/d0 减小模孔锥角减小模孔锥角 α 增加增加 ε，使变形深入到棒材的轴心区，使变形深入到棒材的轴心区金属的断裂 八．挤压时的竹节状裂纹八．挤压时的竹节状裂纹 １．产生原因１．产生原因 挤压时，挤压缸与模孔的摩擦作用，表面变形挤压时，挤压缸与模孔的摩擦作用，表面变形小，产生附加拉应力小，产生附加拉应力２．防止措施２．防止措施 加润滑，减小加润滑，减小 f ，减轻金，减轻金 属流动的不均匀性属流动的不均匀性 保持挤压件的表面温度保持挤压件的表面温度金属的断裂 总结总结１．断裂类型１．断裂类型２．断裂的发生和发展过程２．断裂的发生和发展过程 影响因素影响因素３．压加中断裂的主要形式及防止措施３．压加中断裂的主要形式及防止措施 不均匀变形不均匀变形 → 产生产生σ附附(+) → 开裂开裂金属的断裂 思考题思考题1.写出写出Griffith 公式公式(临界应力公式临界应力公式).它有何意义它有何意义? 它是如何推导出来的它是如何推导出来的?2.裂口形核的基本思想是什么裂口形核的基本思想是什么?它有哪些具体的它有哪些具体的 机理机理?3.以拉伸为例讨论杯锥断裂的形成过程以拉伸为例讨论杯锥断裂的形成过程.4.什么叫软性系数什么叫软性系数?它与材料的韧脆性有何关系它与材料的韧脆性有何关系?5.请分析压力加工中的各种断裂请分析压力加工中的各种断裂(原因原因?措施措施?).金属的断裂 。