第17讲断裂影响因素及现象分析
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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
2020/5/17
1
影响断裂类型的因素
▪ 塑性与脆性（材料在外力作用下(如拉伸、冲击等) 仅产生很小的变形即断裂破坏的性质）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。
▪ 表面裂纹 ▪ 现象
2020/5/17
25
拉拔时金属表面的裂纹
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26
▪ 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。
脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的 效果。
2020/5/17
7
▪ 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。
2020/5/17
8
▪ 切口的试样比无缺口试样的脆性转变温度有
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2
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 ▪ ……
2020/5/17
3
▪ 变形温度
▪ 大多数金属材料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。
性变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。
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5
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sf 和 ss与温度的关系
6
▪ 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
2020/5/17
13
▪ 锻造时的断裂 ▪ 轧制时的断裂 ▪ 挤压拉拔时的断裂
2020/5/17
14
▪ 锻造时的表面开裂 ▪ 现象
2020/5/17
15
墩粗
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16
▪ 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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▪ 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镦粗（铝筒）
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18
加软垫的镦粗情况
2020/5/17
用活动套环(a)和 包套(b)镦粗
19
包套镦粗 1 2
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20
▪ 锻造时的内部裂纹 ▪ 现象
2020/5/17
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。
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9
▪ 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。
▪ 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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12
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。
21
Βιβλιοθήκη Baidu
轧制时的断裂
▪ 轧板时的表面开裂 ▪ 现象
2020/5/17
22
凹形轧辊轧制平板时的裂纹
2020/5/17
23
▪ 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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24
挤压拉拔时的断裂
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10
▪ 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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11
▪ 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。
▪ 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。
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4
▪ 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
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
2020/5/17
1
影响断裂类型的因素
▪ 塑性与脆性（材料在外力作用下(如拉伸、冲击等) 仅产生很小的变形即断裂破坏的性质）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。
▪ 表面裂纹 ▪ 现象
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拉拔时金属表面的裂纹
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▪ 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。
脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的 效果。
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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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▪ 切口的试样比无缺口试样的脆性转变温度有
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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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▪ 变形温度
▪ 大多数金属材料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。
性变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。
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2020/5/17
sf 和 ss与温度的关系
6
▪ 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
2020/5/17
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▪ 锻造时的断裂 ▪ 轧制时的断裂 ▪ 挤压拉拔时的断裂
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14
▪ 锻造时的表面开裂 ▪ 现象
2020/5/17
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墩粗
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16
▪ 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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▪ 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镦粗（铝筒）
2020/5/17
18
加软垫的镦粗情况
2020/5/17
用活动套环(a)和 包套(b)镦粗
19
包套镦粗 1 2
2020/5/17
20
▪ 锻造时的内部裂纹 ▪ 现象
2020/5/17
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。
2020/5/17
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▪ 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。
▪ 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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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。
21
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轧制时的断裂
▪ 轧板时的表面开裂 ▪ 现象
2020/5/17
22
凹形轧辊轧制平板时的裂纹
2020/5/17
23
▪ 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)。
2020/5/17
24
挤压拉拔时的断裂
2020/5/17
10
▪ 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。
2020/5/17
11
▪ 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。
▪ 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。
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▪ 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