Duktiler Bruch, auch bekannt alsplastischer BruchoderBruch durch Zugüberlastungbezieht sich auf eine Bruchart, die auftritt, wenn die auf ein metallisches Material ausgeübte Belastung seine Streckgrenze überschreitet, was zu einer erheblichen makroskopischen plastischen Verformung vor dem Bruch führt. Daher wird es auch als bezeichnetBruch durch duktile Überlastung.
Ein typisches Beispiel ist der Bruch einer glatten Zugprobe unter einachsiger statischer Belastung, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Bruchfläche weist ein klares Bild aufEinschnürungPhänomen in der Nähe des Bruchs. Makroskopisch weist die Bruchfläche eine aufTasse-und-KegelForm: Der zentrale Bereich erscheintfaserigUnddunkelgrauin Farbe, allgemein orientiertsenkrechtzur Zugspannungsrichtung, während der Außenbereich gekennzeichnet istScherlippendie sich bei ungefähr a bilden45-Grad-Winkelzur Zugachse.
In praktischen Anwendungen können die Form von Bauteilen und die Kräfte, denen sie ausgesetzt sind, recht komplex sein, sodass die makroskopischen Merkmale der Bruchmorphologie möglicherweise nicht offensichtlich sind. Allerdings ist die primäre Grundlage für die Unterscheidung zwischenduktiler BruchUndSprödbruchist das Vorhandensein oder Fehlen einer signifikanten makroskopischen plastischen Verformung in der Nähe der Fraktur.
Aus Sicht des Bruchmechanismus in metallischen Werkstoffen gibt es zwei Haupttypen:SchlupftrennungUndduktiler Grübchenbruch.
Slip-Trennungbezieht sich auf das Phänomen, bei dem die Atome innerhalb der Kristallstruktur des Materials unter äußerer Kraft aufgrund von Scherspannung eine relative Verschiebung entlang bestimmter Kristallebenen und -richtungen erfahren, was als bekannt istBeleg. Wenn dieser Schlupf diskontinuierlich oder ungleichmäßig erfolgt oder wenn er an Korngrenzen, Phasengrenzen oder anderen Grenzflächen behindert wird, bilden sich an diesen Stellen kleine Lücken oder Risse, die dazu führenSchlupftrennung. Reiner Gleitbruch kommt bei metallischen Werkstoffen relativ selten vor.
Duktiler Grübchenbruchist der häufigere Typ. Der Mechanismus für die Rissbildung und -ausbreitung in diesem Modus ist wie folgt: Metallische Materialien enthalten verschiedene Diskontinuitäten wie Hohlräume, Einschlüsse, Partikel der zweiten -Phase, Korngrenzen und Phasengrenzen. Bei Überlastbeanspruchung (Überschreitung der Streckgrenze) kommt es in diesen lokalen Bereichen zu Spannungskonzentrationen, die zu plastischer Verformung führen. Mit fortschreitender Verformung bilden sich an diesen Diskontinuitäten oder Grenzflächen Mikrohohlräume. Wenn die Belastung weiter zunimmt, wachsen die Mikrohohlräume und verschmelzen, bis sie sich schließlich zu Mikrorissen verbinden. Unter anhaltender Belastung dehnen sich diese Mikrorisse langsam aus, bis sie eine kritische Größe erreichen und zum Bruch führen. Diese Mikrohohlräume werden als bezeichnetduktile Grübchen(oderPlastikgruben). Die typische Morphologie duktiler Grübchen, die unter REM beobachtet wurde, ist in der Abbildung unten dargestellt, wobei auch Partikel oder Einschlüsse der zweiten -Phase am Boden der Grübchen zu sehen sind.
Unter verschiedenen Stresszuständen ändert sich die Morphologie vonduktile Grübchenbei einer duktilen Fraktur variiert ebenfalls. Im Allgemeinen können sie in drei Typen eingeteilt werden:gleichachsige Grübchen(unter Zugbeanspruchung),Tränengrübchen(unter Reißbelastung, Modus I) undSchergrübchen(unter Scherbeanspruchung, Modus II und Modus III).
Bei der praktischen Analyse der Bruchmorphologie wird häufig beobachtet, dass alle drei Arten vonduktiles GrübchenMorphologien können auftreten. Dies ist im Allgemeinen auf den komplexen Spannungszustand zurückzuführen, dem das Material ausgesetzt ist, oder unter einfachen Spannungsbedingungen, wenn sich der Riss ausbreitet, treten lokale Spannungsänderungen auf, die zu Unterschieden in der Grübchenmorphologie führen.
Darüber hinaus können wir nicht einfach feststellen, dass eine Fraktur vorliegtduktilbasierend auf dem Vorhandensein zahlreicher Grübchen im lokalen Bruchbereich. Duktile Grübchen sind keine notwendige und hinreichende Voraussetzung dafürduktiler Bruch, weil in realen Situationen vieleMischfrakturenauftreten können, wie zQuasi-Spaltungsbrüche. Daher ist es immer noch notwendig, sowohl makroskopische als auch mikroskopische Analysen zu kombinieren, um den Bruchtyp zu bestimmen, den Versagensmechanismus zu verstehen, die Grundursache des Bruchversagens zu identifizieren und Vorschläge zur Verbesserung des Materials, des Komponentendesigns, der Herstellungsprozesse und der Nutzungsumgebungen vorzuschlagen.
Unter welchen Bedingungen ist ein duktiler Bruch wahrscheinlicher? Jeder Faktor, der zunimmtDuktilität(reduziertSprödigkeit) wird das Auftreten von duktilem Bruch begünstigen. Die folgenden Punkte fassen die Schlüsselfaktoren zusammen:
Überlegene Mikrostruktur:Unterschiedliche Mikrostrukturen können unter gleichen Bedingungen zu unterschiedlichen Brüchen führen. Beispielsweise weist angelassener Martensit eine bessere Duktilität auf, während Perlit + Ferrit eine relativ geringere Duktilität aufweisen. Bei ersteren ist es wahrscheinlicher, dass es zu einem duktilen Bruch kommt.
Fein-körnige Struktur:Generell gilt: Je feiner die Körner, desto besser ist die Duktilität. Darüber hinaus sind die Defekte in feinkörnigen Strukturen häufig kleiner, sodass für den Bruch eine höhere Spannung erforderlich ist.
Harte Einschlüsse oder Partikel der zweiten -Phase:Harte Einschlüsse oder Partikel der zweiten -Phase verringern im Allgemeinen nicht die Duktilität des Materials. Manchmal kann eine plastische Zweitphase sogar die Duktilität des Materials verbessern. Wie im Diagramm unten gezeigt, ist dieduktile Grübchenenthalten eine beträchtliche Menge an Typ-A-Sulfideinschlüssen, das Material weist jedoch immer noch solche aufBruch durch duktile Überlastung.
Reine Rohstoffe:Verbesserung der Reinheit des Materials, indem beispielsweise auf die Einführung externer Verunreinigungselemente während der Stahlherstellung geachtet wird, schädliche Verunreinigungen im Material reduziert werden und die Möglichkeit einer solchen Verunreinigung minimiert wirdinterkristalline SprödigkeitUndspröde Einschlüsse der zweiten-Phase.
Gutes strukturelles Design:Vermeiden Sie Spannungskonzentrationen, wie z. B. die Reduzierung scharfer Ecken, Kerben usw., und entwerfen Sie eine Struktur, die eine gleichmäßige Lastverteilung gewährleistet.
Gute Betriebsumgebung (Temperatur, mittlere Bedingungen usw.):Minimierung der Belastung durch korrosive Medien und Umgebungen mit niedrigen{0}}Temperaturen. Wenn solche Bedingungen erforderlich sind, sollte bei der Konstruktion des Materials die Umweltverträglichkeit berücksichtigt werden.
Fürduktiler BruchIn praktischen Anwendungen ermöglicht es eine erhebliche Verformung ohne plötzlichen Bruch. Daher aus dieser Perspektive im Vergleich zuSprödbruchduktiler Bruch ist eine akzeptablere Bruchart. Wenn jedoch die Materialdesign-, Produktions- und Verwendungsprozesse in jeder Phase ordnungsgemäß kontrolliert werden, können unnötige Bruchvorfälle vermieden und Sachschäden sowohl für Unternehmen als auch für Nationen verringert werden.
