塑性材料拉伸断口

文摘   科技   2024-11-08 00:00   湖北  

材料的塑性较好,在拉伸时就会发生明显的塑性变形,最终的断裂称为塑性断裂,或者延性断裂。这种断裂包含两种方式:切离和微孔聚集型断裂。

  • 相对于微孔聚集型断裂而言,切离比较少见。

图1

切离一般发生在单晶体试样或者塑性很好的多晶体试样。当受到拉伸外力时,金属沿滑移面滑移,如果是单滑移系滑移,断裂后呈楔形,如果是多滑移系滑移,则断裂后呈笔尖型。见图1。

但对于一般工业生产上的金属,如钢铁材料,含有较多夹杂物和第二相,它们会不同程度地对滑移有阻碍作用,这些部位容易形成微孔,导致各部分无法协调变形发生切离断裂,而是最终形成有一定颈缩的杯锥型断口。这就是微孔聚集型断裂。

  • 锥型断口通常包含三个特征区:纤维区,放射区和剪切唇。

示意图如图2。纤维区比较平坦,位于心部,紧接着纤维区呈放射状向外发散的是放射区,最外层与拉伸轴线约呈45°角的断面称为剪切唇。

图2 杯锥型断口示意图

工业上常见的塑性较好的金属,如果表明光滑,经过拉伸断裂后,都会有新鲜的颈缩,断面都包含三个特征区。如含碳量不高的钢,调质钢,缓慢冷却得到的平衡组织钢材,铝合金等等,都是此类金属。实际断口形状见图3。


图3 杯锥型断口

  • 拉伸断口为什么会形成三个特征区?

随着拉伸过程的不断进行,大致按如下顺序发展:

均匀变形阶段。试样被拉伸时,在颈缩发生前的均匀变形阶段,夹杂物及析出物部位开始产生微孔,这是的微孔产生几率在试样的各个部位都是差不多的。

颈缩开始形成。继续加载,由于试样表面的自由度较大,开始出现滑移,滑移方向为与轴线呈45°角,这个方向剪切分应力最大。随后,在比较薄弱的地方开始出现明显的颈缩。

纤维区出现。中心部位由于拘束度较大,处于平面应变和三向应力状态下,这是微孔发展最剧烈的区域。不同的微孔相互贯通,就形成微裂纹。微裂纹一般与轴向呈45°的方向扩展,因为微孔聚集与扩展是正应力与切应力共同作用的结果,而45°方向上切应力最大。该部位裂纹扩展相对较缓慢,宏观上看,裂纹比较平直,断面与拉力方向垂直,颜色较灰暗。

扩展区快速发展。纤维区刚开始缓慢推进,一旦扩展到临界尺寸,裂纹就会失稳,快速向前撕裂,宏观上看,形成放射状扩展条纹,色泽比较光亮,这个特征也是寻找断裂源的重要依据。

剪切唇的形成。当裂纹快扩展到表面时,未分离部分厚度相对变薄,自由度增加,近似于平面应力状态,最终沿45°方向剪断。

材料的强度一般分为抗拉、抗压和抗剪强度。塑性较好的材料剪切强度较低,当受到拉应力时,垂直于拉伸方向的横截面上承受最大拉应力,与轴向呈45°的切面上承受最大剪应力,如果试样较薄,拘束度较小,最大剪应力首先超过材料的抗剪强度,而发生剪切断裂。这时,拉伸应力还在许可范围内。

剪切唇有时不是严格的杯锥形,而是杯锥形各占一部分,只是杯锥面与轴向呈45°角不变。

由于材料性能的不一样,三个区域的比例也会不一样

通常认为,剪切唇越宽,材料的塑性就越好。

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