金属零件过载断裂原因及预防措施

工程上当外加载荷超过机械零件危险截面所能承受的极限应力时，零件将断裂，这种断裂称为过载断裂，其断口称为过载断口。

过载断裂按其宏观上有无明显塑变可有脆性过载断裂与韧（延）性过载断裂之分。

脆性过载断口的宏观、微观特点见上文。

韧性过载断口，其宏观特征为断口上有明显塑变；其微观特征为由大量韧窝组成（塑变区）。

（1）韧窝的形成和性质 韧性过载断裂是材料超过屈服极限后再发生韧断。拉伸载荷下典型韧断断口为杯锥状断口。杯锥状断口是由于在断裂过程中，缩颈处出现显微空穴并集聚长大即形成断裂时的杯锥状断口，在宏观上呈现纤维状，在微观上为韧窝。因而可见，不管从宏观上看断裂是脆性还是韧性的，韧窝都是塑变造成的。

在韧窝的内部常有夹杂物或第二相质点，这说明断裂首先是从夹杂等质点形核再扩展的。因此，对同类材质，如果韧窝尺寸越大、越深，说明此零件材质的塑性越好；但另一方面，当韧窝内的夹杂物或某些脆性相质点较多、较大时，使断裂源的数目增加，韧窝变得小而浅，材料的塑性也要下降，甚至完全变脆。如无夹杂物存在，韧窝也可在材料中原有显微空穴或位错堆集等应变不连续处形成。

（2）韧窝的类型与应力状态 相应于断裂时所受应力状态的不同，断口上可出现三种不同的韧窝：正交韧窝（图5-7）、剪切韧窝（图5-8）、撕裂韧窝（图5_-9）。

图5-7 正交韧窝

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图5-8 剪切韧窝

1）正交韧窝。应力垂直于断裂表面、且均布于整个断口表面，裂纹扩展的速度比较缓慢，显微空穴在各个方向上的长大速率是相等的，故形成圆形等轴或锥状韧窝。

2）剪切韧窝。这是在剪切应力作用下形成的韧窝，故其形状呈抛物线，通常出现于拉伸断口的剪切唇上。

3）撕裂韧窝。这是在撕裂应力（相当于断口在弯曲应力）作用下形成的。常见于尖锐裂纹前端及平面应变条件下作低能量撕裂的断口。由于其在受力较大的方向上被拉长，形成抛物线状韧窝。

为了区别剪切韧窝与撕裂韧窝的类同抛物线形状，则需要观察两个相配的韧窝断口上的抛物线状态，若断口副上抛物线韧窝方向相同即为撕裂韧窝，如图5-10c所示；若断口副上抛物线韧窝方向相反，则为剪切韧窝，如图5-10b所示。

图5-9 撕裂韧窝

综上，对于断口上出现韧窝，一般可提供韧性的信息；但还应注意韧窝形核的脆性相质点是否严重，以及韧窝是否在晶界上分布。如有后者，则应把产生的断裂认为脆性断裂。因为一般常温下晶界强度大于晶内强度，所以过载断裂常是穿晶断裂；只有当材料由于合金元素偏析、氢及其他气体在晶界上富集时，才会使过载断裂沿晶界发生。