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金屬材料斷裂的基本影響因素

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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(xué)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(shí)呈脆性斷裂的鑄鐵等材料,在壓應(yīng)力的作用下卻有一定的塑性。因此,在生產(chǎn)實(shí)際中,拉伸時(shí)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(shí)際應(yīng)用十分重要。下面扼要介紹幾個(gè)主要影響因素。

(1)裂紋和應(yīng)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(yīng)力集中,且產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)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(huì)造成應(yīng)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(shí)很脆的材料(如大理石),在受三向壓應(yīng)力時(shí),卻表現(xiàn)出良好的塑性。

(2)溫度的影響  

中、低強(qiáng)度鋼的斷裂過程都有一個(gè)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(dāng)試樣上帶有裂紋和缺口時(shí),更加劇了這種過渡傾向。中、低強(qiáng)度鋼光滑試樣的屈服強(qiáng)度Rr0.2隨著溫度的下降而升高,而裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力σf則基本不變,因此存在著一個(gè)兩應(yīng)力相等的溫度Tc。當(dāng)T>Tc時(shí),σf>Rr0.2,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到Rr0.2時(shí)就產(chǎn)生塑性變形,也導(dǎo)致微裂紋的形成,但裂紋還不能擴(kuò)展,只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到裂紋所需的臨界應(yīng)力時(shí)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(shí)為塑性斷裂;當(dāng)T<Tc時(shí),σf<Rr0.2,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σf時(shí)并不發(fā)生斷裂,此時(shí)金屬中尚無裂紋,只有當(dāng)應(yīng)力增大到Rr0.2時(shí),裂紋才能形成,隨即迅速擴(kuò)展,導(dǎo)致脆性斷裂。一般此溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)試樣中存在裂紋及缺口時(shí),會(huì)使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。通常用帶缺口的試樣進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)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(dāng)溫度降至某一數(shù)值時(shí),試樣急劇脆化,這個(gè)溫度就是脆性轉(zhuǎn)變溫度。脆性轉(zhuǎn)變溫度一般是一個(gè)范圍,它的寬度和高低與金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)、化學(xué)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(yīng)。晶粒越細(xì),裂紋形成和擴(kuò)展的阻力越大,所以細(xì)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(yīng)力的同時(shí)作用下,產(chǎn)生應(yīng)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(fù)雜,一方面,變形速度增大,使金屬加工硬化嚴(yán)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(gè)因素占主導(dǎo)地位,要視具體情況而定。

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