金属塑性变形与断裂

金属材料塑性变形与断裂的关系摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀氢脆高温断裂一、解理断裂与塑变的关系解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。二、准解理断裂与塑变的关系准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：（1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。（2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。（3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。（4）、材料的晶粒尺寸比较粗大。（5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一个严格准确的解理面，有人认为准解理断裂是解理和微孔聚合的混合机制准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理面；有台阶或撕裂棱及河流状花样。不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。三、沿晶断裂与塑变的关系沿晶断裂是指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式。在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用。但当晶界收到损伤，其变形能力被削弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成境界开裂。产生沿晶断裂一般有如下原因：(1)晶界上存在有脆性沉淀相；(2)杂质和合金元素在晶界偏析，致使晶界弱化；(3)热应力作用；（4）环境引起的沿晶蚀用；（5）晶界有弥散相析出。沿晶断裂的过程包括裂纹的形成与扩展。沿晶断裂是与塑性变形密切相关的，当晶界受损的材料受力变形时，晶内的运动位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力达到境界强度时，变将晶界挤裂。这个集中应力与位错塞积群中的位错数目和滑移带长度有关，因此沿晶断裂强度与晶粒尺寸符合Hall-Petch关系。四、延性断裂与塑变的关系延性断裂：伴随明显塑性变形而形成延性断口（断裂面与拉应力垂直或倾斜，其上具有细小的凹凸，呈纤维状）的断裂。延性断裂一般包括纯剪切变形断裂、韧窝断裂、蠕变断裂等。金属材料在载荷作用下，首先发生弹性变形。当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生断裂口或微空隙。这些断裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。延性断裂的裂口呈纤维状，色泽灰暗边缘有剪切唇，裂口附近有宏观的塑性变形。五、疲劳与塑变的关系金属疲劳过程的应力状态和应变状态决定了金属材料的组织和性能的变化规律。在静载单向拉升的变形条件下，金属在宏观上呈现均匀变形，滑移线沿金属试样表面均匀分布，只有在较大变形量时，变形才集中于试样某一局部区域。在交变荷载作用下，当应力超过该材料的疲劳极限（小于屈服点）时，应力循环达到一定次数后，通过金相显微镜和X-射线的实验观察，可以发现在试样表面上应力水平较高的区域或较软的部位，产生了集中滑移，形成了式样的不均匀塑性形变。这种不均匀的塑性变形形成了通常所说的表面挤出峰和挤入槽。挤出峰和挤入槽是金属弱化部位滑移层见无规则滑移构成的滑移带。挤入槽构成了试样的表面裂纹。金属的疲劳断裂过程可以分为疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳宏观上是脆性的，微观上是塑性的，是局部的塑性变形导致的断裂在交变载荷作用下，金属表面将产生滑移线，随着循环次数增加，滑移线逐渐变粗而形成滑移带的独特结构与静载荷条件下的不同，它的分布极不均匀，随着塑性应变的增大，滑移带数目不是在所有的晶面上平均增加，只是其中个别滑移带逐渐变宽而成为粗大的滑移带，在金相显微镜下，可以明显看到这些滑移带。由滑移引起的疲劳裂纹，可以认为是驻留滑移带上的挤入和挤出现象的结果。在交变荷载的继续作用下，挤入部分向滑移带纵深扩展，从而形成最初的疲劳裂纹，然后裂纹沿滑移带方向扩展，并穿过晶粒，直至转化成宏观裂纹。六、应力腐蚀开裂与塑变的关系应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂.应力腐蚀开裂有以下特点（1）造成应力腐蚀破坏的应力是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力（2）应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，断裂前没有明星的塑性变形（3）纯金属一般不发生应力腐蚀，只有在特定的合金成分与特定的介质相结合时才会造成应力腐蚀（4）应力腐蚀的裂纹多起源于表面坑蚀处常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹顶端处容易产生局部塑性变形而形成滑移台阶所致。七、氢脆与塑变的关系氢脆是在应力和过量的氢共同作用下使金属材料塑性，韧性下降，在钢内部形成细小的裂纹现象。并认为氢使微观塑变局部化，造成滞后塑变，降低屈服应力导致脆性。氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多（原子点阵错位、空穴等）。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆的发生有一定的温度条件，当形变速率一定时，在稍高温度下，氢原子的扩散速度可以跟的上位错运动时，便以气团形式，伴随着位错运动，越来越多的聚集裂纹顶端塑性区，使该地区脆化。八、高温断裂与塑变的关系在高温短时载荷作用下，材料的塑性增加。但在高温长时载荷作用下，材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂特征。高温下的断裂是以扩散为主的蠕变断裂。蠕变是指金属材料在恒应力长期作用下发生的塑性变形现象。