論金屬的斷裂

1、材料力學(xué)性能作業(yè)論述金屬的斷裂成型二班金屬在外加載荷的作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。機(jī)件的三種主要失效形式是磨損、腐蝕和斷裂。其中斷裂的危害最大。一、斷裂的分類根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴(kuò)散的情況不

2、同。韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，脆性斷裂在斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，沒有明顯征兆，因而危害性很大。韌性斷裂和脆性斷裂只是相對(duì)的概念，在實(shí)際載荷下，不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、環(huán)境等條件的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的斷裂。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5％為脆性斷裂；大于5％為韌性斷裂?？梢?，金屬材料的韌性與脆性是依據(jù)一定條件下的塑性變形

3、量來規(guī)定的，隨著條件的改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。按斷裂機(jī)制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類。解理斷裂是金屬材料在一定條件下（如體心立方金屬、密排六方金屬與合金處于低溫、沖擊載荷作用），當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面的穿晶斷裂。解理面一般是低指數(shù)或表面能最低的晶面。對(duì)于面心立方金屬來說，在一般情況下不發(fā)生解理斷裂，但面心立方金屬在非?？量痰沫h(huán)境條件下也可能產(chǎn)生解理破壞。剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下，

4、沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，它又分為滑斷（又稱切離或純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬常發(fā)生滑斷斷裂；鋼鐵等工程材料多發(fā)生微孔聚集型斷裂，如低碳鋼拉伸所致的斷裂即為這種斷裂，是一種典型的韌性斷裂。二、拉伸斷口分析斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因，擴(kuò)散的途徑，擴(kuò)散過程及影響裂紋擴(kuò)散的各內(nèi)外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進(jìn)構(gòu)件設(shè)計(jì)、提高材料性能、改善制作工藝提

5、供依據(jù)。斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。材料力學(xué)性能作業(yè)工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)、載荷類型及環(huán)境因素等。溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一，設(shè)計(jì)者必須考慮使構(gòu)件的工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度低于Tc時(shí)，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋的擴(kuò)展。若其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料，選擇韌性更高，Tc更低的材料。在選擇材料時(shí)，應(yīng)保證材料具有良好的強(qiáng)韌性，良好的工藝性能。從減少構(gòu)件脆性斷裂上，在

6、進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)力集中減少到最低限度，如減少尖角及結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性，合理布置焊縫的位置。冶金生產(chǎn)方面要減少鋼中的夾雜物、氣孔及鋼材的表面缺陷。結(jié)構(gòu)加工后不應(yīng)存在缺口、凹槽、過深的刀痕等缺陷。焊接時(shí)要防止裂紋、焊瘤、未焊透等缺陷，減小和消除鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，尤其在條件允許的情況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量消除焊接殘余應(yīng)力，這對(duì)于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。（2)調(diào)整化學(xué)成分鋼的化學(xué)成分中的有益元素含量在合金設(shè)計(jì)中應(yīng)給以重視，

7、而C、N、H、O、P等有害夾雜含量增加均會(huì)提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性，所以應(yīng)減少其含量。要對(duì)脆斷事故進(jìn)行分析，首先應(yīng)該要看是否含量超標(biāo)，不超標(biāo)時(shí)也要考慮合金配比是否合適，因?yàn)槌煞致湓谂铺?hào)規(guī)范內(nèi)，但配比不合適（如MnC比），其工藝性能或使用性能上達(dá)不到要求并引起失效的事例是很多的，如在設(shè)計(jì)鋼的成分時(shí)應(yīng)盡可能地控制一些對(duì)鋼的回火脆性影響較大元素的配比，使鋼的回火脆性不致過大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鉬和鎢，對(duì)回火脆性敏感性較大

8、的鉻鎳鋼，鉻錳鋼、硅錳鋼、鉻釩鋼等加鉬便是如此。鎳被認(rèn)為是降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度作用最大的元素。低碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度因鎳量增加而降低，淬火后低溫回火的鎳鋼含4.5%鎳，高溫回火的鋼含2.5％鎳時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度可降到最低。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，銅的作用與鎳相似。錳對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響因含量不同而異。低碳鋼含錳在1.5％以下時(shí)可使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，所以，降碳增錳可以減少鋼中的碳化物、細(xì)化晶粒，有利于低碳鋼獲得較高的低溫沖擊韌性，但含錳高時(shí)又使鋼