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金屬材料斷裂的基本影響因素

2017年06月27日15:06 青島豐東熱處理

不同的材料,可能有不同的斷裂方式,但是斷裂屬于塑性斷裂還是脆性斷裂,不僅與材料的化學成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān),而且還受工作環(huán)境、加載方式的影響。塑性材料在一定的條件下可以是脆性斷裂,而脆性材料在一定條件下也表現(xiàn)出一定的塑性。如在室溫拉伸時呈脆性斷裂的鑄鐵等材料,在壓應力的作用下卻有一定的塑性。因此,在生產(chǎn)實際中,拉伸時呈脆性斷裂的材料通常只用來制造在受壓狀態(tài)下工作的零件,而不用來制造重要零件。可見,研究影響材料斷裂因素對工程實際應用十分重要。下面扼要介紹幾個主要影響因素。

(1)裂紋和應力狀態(tài)的影響

對大量脆性斷裂事故的調(diào)查表明,大多數(shù)斷裂是由于材料中存在微小裂紋和缺陷引起的。裂紋的存在引起應力集中,且產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài),就改變了構(gòu)件的斷裂行為。同樣,受載方式不同會造成應力狀態(tài)的改變,也能改變材料的斷裂行為。例如拉伸或彎曲時很脆的材料(如大理石),在受三向壓應力時,卻表現(xiàn)出良好的塑性。

(2)溫度的影響

中、低強度鋼的斷裂過程都有一個重要現(xiàn)象,就是隨著溫度的降低,都有從塑性斷裂逐漸過渡為脆性斷裂的現(xiàn)象,尤其是當試樣上帶有裂紋和缺口時,更加劇了這種過渡傾向。中、低強度鋼光滑試樣的屈服強度Rr0.2隨著溫度的下降而升高,而裂紋擴展所需的臨界應力σf則基本不變,因此存在著一個兩應力相等的溫度Tc。當T>Tc時,σf>Rr0.2,當應力達到Rr0.2時就產(chǎn)生塑性變形,也導致微裂紋的形成,但裂紋還不能擴展,只有當應力達到裂紋所需的臨界應力時才能造成斷裂,即試樣要經(jīng)一定的塑性變形后才斷裂,此時為塑性斷裂;當T<Tc時,σf<Rr0.2,當應力達到σf時并不發(fā)生斷裂,此時金屬中尚無裂紋,只有當應力增大到Rr0.2時,裂紋才能形成,隨即迅速擴展,導致脆性斷裂。一般此溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。當試樣中存在裂紋及缺口時,會使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。通常用帶缺口的試樣進行系列沖擊試驗來測定這一溫度。圖5-9所示為沖擊韌度隨溫度的變化曲線。從圖中可以看出,當溫度降至某一數(shù)值時,試樣急劇脆化,這個溫度就是脆性轉(zhuǎn)變溫度。脆性轉(zhuǎn)變溫度一般是一個范圍,它的寬度和高低與金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、應變速率、應力狀態(tài)、化學成分、雜質(zhì)元素等因素有關(guān)。一般來說,體心立方金屬冷脆斷裂傾向大,脆性轉(zhuǎn)變溫度高,密排六方金屬次之,面心立方金屬則基本上沒有溫度效應。晶粒越細,裂紋形成和擴展的阻力越大,所以細化晶??墒勾嘈赞D(zhuǎn)變溫度降低。此外,合金元素Ni具有顯著降低脆性轉(zhuǎn)變溫度的作用。

(3)其他影響因素

除材料本身的影響因素外,影響材料斷裂的外界因素還有很多。例如環(huán)境介質(zhì)對斷裂有很大影響,某些金屬與合金在腐蝕介質(zhì)和拉應力的同時作用下,產(chǎn)生應力腐蝕斷裂。金屬材料經(jīng)酸洗、電鍍或從周圍介質(zhì)中吸收了氫之后,產(chǎn)生氫脆斷裂。變形速度的影響比較復雜,一方面,變形速度增大,使金屬加工硬化嚴重,因而塑性降低。另一方面它又使變形熱來不及散出,促使加工硬化消除而提高塑性。至于哪個因素占主導地位,要視具體情況而定。

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