脆性断裂的影响因素

脆性断裂的影响因素很多,凡是导致材料断裂韧度下降、韧脆转移温度升高的因素都会使材料致脆。

总的说来,这些影响因素可分为内部因素和外部因素两个方面:内部因素有材料的晶体结构、组织成分以及内部缺陷等;外部因素则包括应力状态和应力集中、温度、加载(或应变)速率、环境介质等。

1)内部因素。从晶体学原理可知,面心立方(fcc)结构金属(合金)塑性好,一般不会发生脆性断裂;而体心立方(bcc)结构金属(合金)和密排六方(hcp)结构金属(合金)塑性较差,在一定的情况下会发生脆性断裂。脆性转变温度通常只在晶体结构是体心立方的材料中发生,对于面心立方结构的材料,由于屈服应力与温度几乎没有关系,即使在能够达到的最低温度,滑移也是先于脆性分离发生的。

合金的化学成分是通过不同工艺形成合金的各种组织结构来反映各种性能的。众所周知,钢中的含碳量增加时会提高脆性转变温度,大颗粒的碳化物呈网状分布时会导致脆性断裂;氮是导致低碳钢发生蓝脆的主要原因;钢中磷含量过高将导致钢的脆性增加。

由于材料的组分、工艺引起内部组织结构的变化,如有害元素的偏聚、脆性相的出现等会致使材料的脆性断裂趋势增大,如钢的马氏体脆性,回火脆性(原奥氏体晶界磷等有害元素的偏聚引起),铬不锈钢的475℃脆性(475℃左右加热后有脆性析出相),过热过烧脆性,应变时效脆性(有冷变形历史的低碳钢,经250℃左右几十分钟时效后产生的脆性),蓝脆(钢材加热到350℃左右的脆性),σ相脆性(高Cr并含Mo、W的不锈钢在650℃加热后有σ相析出,引起塑性下降),TCll钛合金中氧铝偏析引起的脆性断裂等。

晶粒度对材料的脆性断裂也有重要的影响,晶粒粗大会导致材料的韧性下降。

裂纹一般起始于缺陷处,脆性断裂的裂纹总是起始于成形加工或使用过程中产生的缺陷处。在熔化、还原、晶粒纯化以及铸造过程中产生的偏聚、夹杂、孔洞,锻造工艺中产生的锻造内裂,热处理过程中产生的淬火裂纹,焊接工艺中产生的不连续性缺陷等破坏了材料的连续性,往往导致脆性断裂。另外,残余应力的存在也会影响材料的脆性断裂。

2)外部因素。受到约束的应力状态会阻止塑性变形的发生,有利于脆性断裂。应力集中可能会导致材料在应力集中处所受应力超过材料的许用应力,致使脆性断裂的发生。

在实际零部件和构件中,不可避免地有各种螺纹、台阶、孔洞、键槽等级和不均匀性,从一般意义上说它们都是缺口体。如果材料表面存在缺口,当外载荷作用到材料上时,缺口根部的三向拉应力使应变受到约束,同时应力集中大大超过平均水平,为脆性断裂的发生创造了条件。

温度是影响材料脆性断裂十分重要的一个因素,脆性断裂常常发生在气温较低的环境中。如韧脆转移问题,当温度低于脆性转变温度时,材料就会发生脆性断裂。

环境导致材料的脆性断裂是十分常见的脆性断裂。下面还有专门章节介绍,这里就不再赘述。

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