金屬塑成型原理第十二章 12.24最終版

1、第十二章第十二章 金屬在加工變形中的斷裂金屬在加工變形中的斷裂鎂合金管材拉拔斷裂鎂合金管材拉拔斷裂 在生產(chǎn)低塑性的鋼鐵或者合金時，常常發(fā)現(xiàn)在材料的表面或者內(nèi)部出現(xiàn)斷裂特征：斷面外觀沒有明顯的塑性變形跡象，直接由彈性變形狀態(tài)過渡到斷裂階段，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊。1 12.1 2.1 斷裂的物理本質(zhì)斷裂的物理本質(zhì)12.1.1 斷裂的基本類型1 12.1.1.1 2.1.1.1 脆性斷裂脆性斷裂脆性斷裂斷口示意圖脆性斷裂斷口示意圖脆性斷裂的表現(xiàn)形式：單晶體：沿著解理面的解理斷裂；（解理面一般是晶面指數(shù)比較低的鏡面，如體心立方的（100）面）多晶體：裂紋沿著解理面橫穿晶粒的穿晶斷裂并斷口呈

2、現(xiàn)解理亮面或者是裂紋沿晶界的晶間斷裂、斷口呈顆粒狀脆性斷裂方式示意圖脆性斷裂方式示意圖（a）穿晶斷裂）穿晶斷裂 （b）沿晶斷裂）沿晶斷裂1 12.1.1.2 2.1.1.2 韌性斷裂韌性斷裂特征：裂口生成、發(fā)展均很慢，裂口生成、發(fā)展均很慢，斷裂前經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖維狀，灰暗無光，若在電子顯微鏡下可看到韌窩等。電子顯微鏡下可看到韌窩等。韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界處有夾雜物或沉淀物聚集，則會發(fā)生晶間斷裂。韌性斷裂的表現(xiàn)形式：低塑性材料：切變斷裂（斷口max）；高塑性材料：塑性變形后出現(xiàn)頸縮甚至是拉縮成一個點后才斷開（如Au、Fe等金屬）低塑性材料的切變斷裂低塑性材料的切變斷裂高

3、塑性材料的頸縮斷裂高塑性材料的頸縮斷裂 塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，象金屬鎢，雖在室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時為脆性的金屬，在高靜水壓下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時卻可能變得很脆。所以，金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內(nèi)在因素和外在條件。因此，對塑性加工來說，很有必要了解塑性脆性轉變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性提高方面轉化。韌性斷裂的特點：斷裂前發(fā)生了較大的塑性變形，斷裂時也要消耗相當多的能量，是一種高能量的吸收過程；小裂紋擴大和聚合過程中又不斷產(chǎn)生新裂紋，所以韌性斷裂表現(xiàn)出多裂紋源韌性斷裂的裂紋擴展的臨界應力大

4、于裂紋形核的臨界應力，所以韌性斷裂是個緩慢的撕裂過程；隨著變形的不斷進行，裂紋不斷產(chǎn)生、擴展和集聚，變形一旦停止，裂紋擴展也隨之停止。 塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，象金屬鎢，雖在室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時為脆性的金屬，在高靜水壓下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時卻可能變得很脆。所以，金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內(nèi)在因素和外在條件。因此，對塑性加工來說，很有必要了解塑性脆性轉變條件，盡可能防止脆性，向有利于塑性提高方面轉化。12.1.2 斷裂過程與物理本質(zhì)1 12.1.2.1 2.1.2.1 斷裂過程斷裂過程 金屬塑性

5、變形過程和斷裂過程是同時發(fā)生的，斷裂過程又可分為裂紋形核和裂紋擴展兩個階段。塑性變形和斷裂是相互聯(lián)系的、相互競爭的兩個過程：塑性變形受阻（位錯的增殖和塞積）導致裂紋形核，塑性變形的發(fā)展（位錯的釋放和消失）導致裂紋擴展是構成裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的兩個基本要素。解釋：力學角度：實際生產(chǎn)金屬絕大部分為多晶體，在外力作用下，首先是取向最有利的晶粒（即外力對其滑移系具有最大的切應力的晶粒）中的滑移或者孿生機制啟動，從而產(chǎn)生塑性變形，而周圍取向不利的晶粒由于滑移系上的分切應力尚未達到臨界值未能產(chǎn)生塑性變形。產(chǎn)生塑性變形的晶粒滑移面上的位錯源開動后，位錯便源源不斷地沿著滑移面進行運動，但是周圍晶粒取向不同，滑移系

6、也不同，因此運動的位錯不能越過晶界，滑移不能發(fā)展到了另一個晶粒中，位錯在晶界出受阻。受阻位錯造成很多的應力集中，這一應力集中值與外加應力疊加，使得相鄰晶粒某些滑移系得以啟動。當某些晶粒中變形方式不能滿足塑性變形連續(xù)性要求時，塑性變形受阻，在這些變形不協(xié)調(diào)的局部區(qū)域將會發(fā)生裂紋的形核和擴展過程。位錯理論角度：位錯在滑移面上運動和增值，塑性變形受阻后運動塞積形成一個高應力集中區(qū)域，如果高應力集中區(qū)域積累的應變能足夠大，足以破壞原子結合鍵時，便開始發(fā)生裂紋形核，隨著形變過程發(fā)展，通過位錯不斷消失到裂紋中而導致裂紋的長大。當裂紋占到臨界尺寸時，裂紋尖端的能量釋放率達到裂紋擴展單位面積所吸收的能力，裂紋

7、變開始失穩(wěn)直到最終斷裂。簡而言之即是裂紋的發(fā)展過程是一種位錯不斷塞積和消失的過程。1 12.1.2.2 2.1.2.2 裂紋形核理論裂紋形核理論（1）位錯塞積理論 位錯沿某一滑移面移動受阻，在障礙物前塞積，產(chǎn)生極大的應力集中，形成裂口。位錯塞積理論裂紋形成示意圖位錯塞積理論裂紋形成示意圖1 12.1.2.2 2.1.2.2 裂紋形核理論裂紋形核理論（2）位錯反應理論 二個位錯發(fā)生反應生成不易移動的新位錯，使位錯塞積，產(chǎn)生大的應力集中，形成裂口。位錯反應理論裂紋形成示意圖：位錯反應理論裂紋形成示意圖：（a）位錯匯合，（）位錯匯合，（b）形成裂口）形成裂口1 12.1.2.3 2.1.2.3 裂紋

8、發(fā)展裂紋發(fā)展（1）從裂口產(chǎn)生到物體最終斷裂之間是一個發(fā)展的過程。隨著塑性變形發(fā)展，只有當裂口或者空洞不斷形成與擴大，并相互結合起來才能導致最終斷裂。裂口沿垂直裂口沿垂直于拉伸于拉伸方方向擴展向擴展，接近，接近表面表面 均勻均勻拉伸拉伸 產(chǎn)生產(chǎn)生細頸細頸 在在三向拉應力三向拉應力 微孔微孔合并長大合并長大 作用作用下產(chǎn)生微孔下產(chǎn)生微孔 形成形成小裂口小裂口韌性斷裂從微孔產(chǎn)生到斷裂過程韌性斷裂從微孔產(chǎn)生到斷裂過程（2）微孔的形成 研究表明，微孔主要在析出物、夾雜物等第二相粒子的地方形成。1 12.1.2.3 2.1.2.3 裂紋發(fā)展裂紋發(fā)展產(chǎn)生微孔的機理：雜質(zhì)與基體界面發(fā)生剝離這是由變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生

9、的雜質(zhì)引起應力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生微孔；雜質(zhì)本身的破碎；因位錯塞積，造成應力集中，形成微裂紋；（3）裂口的發(fā)展與修復裂口的發(fā)展過程：亞顯微破壞(形成微孔)顯微破壞(形成小裂口)宏觀破壞(裂口發(fā)展)斷裂裂口的修復過程（已形成的破壞在變形過程中得以修復）1 12.1.2.3 2.1.2.3 裂紋發(fā)展裂紋發(fā)展修復速度破壞坯芽形成速度：顯微破壞都能修復（粘性體）；破壞形成和發(fā)展速度很大，修復速度很?。浩茐臅r沒有明顯塑性變形標志；修復速度亞顯微破壞的坯芽形成速度：破壞是有塑性變形跡象；冷變形時，破壞只能通過壓扁變形和隨后的破壞表面層原子的壓結來修復熱變形時，除冷變形的修復機制以外，還能通過原子擴散和再結晶過程

10、來修復。1 12.2 2.2 影響斷裂類型的因素影響斷裂類型的因素（1）變形溫度f 正斷抗力s 塑性變形抗力 Tw 塑性變形溫度 Tk 脆性臨界溫度 當溫度TwTk 時，fs ，材料先達到s，產(chǎn)生大量的塑性變形，導致裂口成核。但此時裂口還不能擴展，只有當應力達到f 時才造成斷裂 韌性斷裂巖鹽的巖鹽的s和和f與溫度與溫度的關系的關系1 12.2 2.2 影響斷裂類型的因素影響斷裂類型的因素（1）變形溫度f 正斷抗力s 塑性變形抗力 Tw 塑性變形溫度 Tk 脆性臨界溫度 當溫度TwTk 時，f ， fs 脆性斷裂 s 韌性斷裂1 12.2 2.2 影響斷裂類型的因素影響斷裂類型的因素（3）應力狀

11、態(tài)的影響三向拉應力狀態(tài)時，有效切應力將減少，為使材料屈服，拉伸應力值增高；拉伸同時存在流體靜壓力作用，材料屈服更容易1 12.3 2.3 塑性加工中金屬的斷裂塑性加工中金屬的斷裂 塑性加工時，不均勻變形、較差的加熱質(zhì)量和塑性較低的材料均會造成加工過程出現(xiàn)斷裂。12.3.1 鐓粗餅材時側面縱裂（1）產(chǎn)生原因：區(qū)鼓形處受有環(huán)向拉應力作用； T過高，晶界強度減弱，易沿晶界拉裂 裂口環(huán)，如圖(a) T較低，穿晶切斷，沿max 斷裂 裂口與環(huán)成45角，如圖(b)鐓粗餅材側面縱裂示意圖12.3.1 鐓粗餅材時側面縱裂（2）防止措施：從原因分析，當環(huán)不均勻變形，鼓形，采取以下方法 f ，提高表面光潔度，采用

12、潤滑劑； 加軟墊：壓縮開始，軟墊先變形，拖著工件端面一起向外流動，使工件側加軟墊：壓縮開始，軟墊先變形，拖著工件端面一起向外流動，使工件側面成凹形，隨后，軟墊產(chǎn)生了加工硬化，工件開始顯著變形，凹面成凹形，隨后，軟墊產(chǎn)生了加工硬化，工件開始顯著變形，凹平平凸凸 ，鼓形鼓形， 環(huán)環(huán) 加軟墊鐓粗 活動套環(huán)或包套鐓粗：套環(huán)活動套環(huán)或包套鐓粗：套環(huán)一般由普通鋼制成，加熱溫度比一般由普通鋼制成，加熱溫度比坯料低，變形抗力大，對坯料的坯料低，變形抗力大，對坯料的流動起限制作用，增加三向壓應流動起限制作用，增加三向壓應力。力。用活動套環(huán)（a）和包套（b）鐓粗1-工件，2-外套，3-套環(huán)，4-墊鐵12.3.2

13、鍛壓延伸（或拔長）時的內(nèi)部縱裂12.3.2.112.3.2.1平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（X X形）內(nèi)裂形）內(nèi)裂 12.3.2.112.3.2.1平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（X X形）內(nèi)裂形）內(nèi)裂 （1）產(chǎn)生原因： 鍛壓時，對角線方向金屬流動發(fā)生錯動每翻轉90，金屬錯動方向改變； 鑄造組織：鋼錠中心及對角線是雜質(zhì)和缺陷聚集的地方，為薄弱環(huán)節(jié)有柱狀晶更易開裂 ； 對角線方向最大熱效應大，溫升高，對角線處易過燒，導致開裂。若中心薄弱，裂紋如圖c上，若角部薄弱，裂紋如圖c下 12.3.2.112.3.2.1平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（

14、平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（X X形）內(nèi)裂形）內(nèi)裂 （2）預防措施：減小送進量（工件與工具的接觸長度）：一般送進量 l=(0.60.8)h鍛壓延伸送進量較小柱狀晶；較小壓下量h 12.3.3 鍛壓延伸（或拔長）時的內(nèi)部縱裂12.3.3.2 12.3.3.2 平錘頭鍛壓圓坯時出現(xiàn)的縱向內(nèi)裂平錘頭鍛壓圓坯時出現(xiàn)的縱向內(nèi)裂 用平錘頭鍛壓圓坯的情況用平錘頭鍛壓圓坯的情況受力情況：假若沒有外端，則可自由地形成雙鼓形，但由于外端的齊作用，使工件中心產(chǎn)生附加拉應力，壓下時，斷面的中心部分受到水平拉應力2作用。12.3.3.2 12.3.3.2 平錘頭鍛壓圓坯時出現(xiàn)的縱向內(nèi)裂平錘頭鍛壓圓坯時出現(xiàn)的縱向內(nèi)裂

15、初始壓下時，水平拉應力2作用，產(chǎn)生（a）所示裂口； 翻鋼90鍛壓后，產(chǎn)生（b）所示裂口； 圓錠翻90鍛造方坯時，產(chǎn)生圖（d）所示橫豎十字裂口； 圓錠旋轉鍛成圓坯料， 產(chǎn)生如圖（e）所示孔腔用平錘頭鍛壓圓坯裂口情況用平錘頭鍛壓圓坯裂口情況12.3.3.2 12.3.3.2 平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（平錘頭鍛壓方坯時產(chǎn)生對角十字（X X形）內(nèi)裂形）內(nèi)裂 （2）預防措施： 采用槽形或弧形錘頭，增加側壓，使附加拉應力減小用槽形或弧形錘頭鍛壓圓坯用槽形或弧形錘頭鍛壓圓坯12.3.4 鍛壓延伸及軋制時產(chǎn)生的內(nèi)部橫裂 （1）產(chǎn)生原因：當送進量L與厚度之比即L/h0.5時，在斷面中心部產(chǎn)生縱向拉應力，由此

16、產(chǎn)生橫裂。該種橫裂一般呈周期性出現(xiàn)，這是因為裂紋一出現(xiàn)，以前產(chǎn)生拉應力變消除，然后拉應力在積累，再拉裂。 軋制厚件L/h-0.5, h-=（H+h）/2）為軋件平均厚度,由于軋件斷面中心部產(chǎn)生縱向拉應力，會導致內(nèi)部橫裂。窄錘頭（窄錘頭（L/h0.5L/h0.5）時方形件延伸變形圖示）時方形件延伸變形圖示窄錘頭（窄錘頭（L/h0.5L/h0.5）時方形件延伸變形）時方形件延伸變形內(nèi)部橫裂示意圖內(nèi)部橫裂示意圖（2）預防措施： h 變形滲透性，附加拉應力； 送進量送進量 l l 如下圖如下圖(b) l =(0.60.8)h(b) l =(0.60.8)h； 增加軋輥直徑增加軋輥直徑 D D ， 有利

17、于內(nèi)部缺陷的焊合有利于內(nèi)部缺陷的焊合寬錘頭（寬錘頭（L/hL/h1.01.0）時方形件延伸變形圖示）時方形件延伸變形圖示12.3.5 鍛壓延伸及軋制時產(chǎn)生的端裂（劈頭）（1）產(chǎn)生原因錘擊過重時，端面鼓形嚴重，錘擊過重時，端面鼓形嚴重，區(qū)質(zhì)點區(qū)質(zhì)點向外向外鼓脹，使鼓脹，使區(qū)外表面受拉力區(qū)外表面受拉力Q Q作用作用，在此在此拉力的作用下，使軋件端面開裂。拉力的作用下，使軋件端面開裂。鍛壓時端部劈頭情況分析鍛壓時端部劈頭情況分析方坯鍛壓時，端面呈對角十字裂口方坯鍛壓時，端面呈對角十字裂口圓錠鍛壓時，端面呈橫豎十字裂口；圓錠鍛壓時，端面呈橫豎十字裂口；圓錠鍛圓時，端面呈放射狀裂口；圓錠鍛圓時，端面呈放

18、射狀裂口；橫豎十字裂口橫豎十字裂口放射狀裂口放射狀裂口對角十字裂口對角十字裂口（2）預防措施： 正常鍛壓前先鍛頭部，改善端部的塑性； 避免軋件表面溫度降低過大；12.3.6 軋板時的邊裂和薄件的中部開裂（1）產(chǎn)生原因凸輥軋制：邊部受縱向附加拉應力，出現(xiàn)邊裂（板材塑性不好時）或中部產(chǎn)生凸輥軋制：邊部受縱向附加拉應力，出現(xiàn)邊裂（板材塑性不好時）或中部產(chǎn)生皺褶（板材塑性良好時）；皺褶（板材塑性良好時）；凹輥軋制：中部受縱向附加拉應力，邊部受縱向附加壓應力，出現(xiàn)中部裂口凹輥軋制：中部受縱向附加拉應力，邊部受縱向附加壓應力，出現(xiàn)中部裂口（板材塑性不好）或者邊部產(chǎn)生皺褶（板材塑性良好時）（板材塑性不好）或者邊部產(chǎn)生皺褶（板材塑性良好時）（2）防止措施限制邊部自由寬展，防止邊裂；限制邊部自由寬展，防止邊裂；采用合適的輥型和坯料斷面形狀；采用合適的輥型和坯料斷面形狀；凸輥軋板邊裂凸輥軋板邊裂12.3.7 擠壓和拉拔時產(chǎn)生的主要斷裂（1）產(chǎn)生原因當當 l/d0 l/d0 較小時，只產(chǎn)生表面變形，中心部位受附加拉應力較小時，只產(chǎn)生表面變形，中心部位受附加拉應力12.3.7.1 12.3.7.1 拉拔時產(chǎn)生的內(nèi)裂拉拔時產(chǎn)生的內(nèi)裂 拉拔時的內(nèi)裂：拉拔時的內(nèi)裂：(a)(a)拉拔內(nèi)裂示意