机械零件断裂原因及预防方法

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：断裂是机械零件失效的主要形式之一，零件断裂后不仅完全丧失了工作能力，而且还可能造成重大经济损失和伤亡事故。金属脆性断裂的危害性很大，其危害程度仅次于疲劳断裂。机械零件使用中的断裂有80%是由疲劳引起的。

断裂是指机械零件在某些因素作用下发生局部开裂或分裂为若干部分的现象。断裂是机械零件失效的主要形式之一，零件断裂后不仅完全丧失了工作能力，而且还可能造成重大经济损失和伤亡事故。特别是随着现代制造系统不断向大功率、高转速方向发展，零件工作环境发生了变化，断裂失效的可能性增加，因此，断裂失效问题已成为当今的一个热门研究课题。

零件断裂后形成的断口能够真实记录断裂的动态变化过程。通过断口分析，能判断发生断裂的主要原因，从而为改进设计、合理修复提供有益的信息。按断裂的原因可将断裂分为脆性断裂和疲劳断裂等。

4.5.1　脆性断裂

零件在断裂以前无明显的塑性变形，发展速度极快的一种断裂形式，称为脆性断裂。脆性断裂前无任何征兆，断裂的发生具有突然性，是一种非常危险的断裂破坏形式。金属零件因制造工艺不合理，或因使用过程中遭有害介质的侵蚀，或因环境不适，都可能使材料变脆，使其发生突然断裂。例如，氢或氢化物渗入金属材料内部，可导致“氢脆”；氯离子渗入奥氏体不锈钢中，可导致“氯脆”；硝酸根离子渗入钢材，可出现“硝脆”；与碱性物接触的钢材，可能出现“碱脆”；与氨接触的铜质零件，可发生“氨脆”；等等。此外，在10～15 ℃以下的环境温度下，中低强度的碳钢易发生“冷脆”（钢中含磷所致）；含铝的合金，如果在热处理时温度控制不严，很容易因温度稍偏高而过烧，出现严重脆性。金属脆性断裂的危害性很大，其危害程度仅次于疲劳断裂。

脆性断裂的主要特征如下：

①金属材料发生脆性断裂时，一般工作应力并不高，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过许用屈服应力，因而脆性断裂又称为低应力脆断。

②脆性断裂的断口平整光亮，断口断面大体垂直于主应力方向，没有或只有微小的屈服及减薄（颈缩）现象，表现为冰糖状结晶颗粒。

③断裂前无征兆，断裂是瞬时发生的。

脆性断裂中较有代表性的是氢脆断裂，氢脆断口上的白点是氢泡留下的痕迹，白点外围有放射状撕裂纹，这是裂纹扩展的痕迹。氢脆断裂是工程中一种比较普遍的现象，其产生的原因有以下三种：

（1）氢压致断

金属材料在冶炼、热处理轧制、锻压等过程中溶解了大量氢，冷却后，材料中析出的氢分子和氢原子在内部扩散，并在材料中的微观缺陷处或薄弱处聚集，形成压力巨大的氢气气泡，在气泡处出现裂纹。随着氢扩散—聚集过程继续，气泡进一步生长，裂纹进一步扩张，直至相互连接、贯通，最后引起材料过早断裂。

（2）晶格脆化致断

材料中的固溶氢和外界渗入的氢通过晶界扩散，在晶界的薄弱处滞留、聚集，许多晶界的强度因此受到破坏。在这个过程中，氢原子的电子也会挤入金属原子的电子层中，使金属原子之间相互排斥，造成晶格之间的结合力的降低。在较低的工作应力作用下，甚至在材料自身残余应力的作用下，发生脆断。

（3）氢腐蚀致断

材料在热轧、锻造或热处理等高温（200 ℃以上）加工中，其内部固溶氢和外界渗入的氢，与金属材料中的夹杂物及合金添加剂起反应生成高压气体，这些气体在材料内部扩散转移，晶界遭受破坏，最终导致脆性断裂。

4.5.2　疲劳断裂

金属零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象，称为疲劳断裂。机械零件使用中的断裂有80%是由疲劳引起的。

（1）疲劳断裂的机理

一般疲劳断裂过程经历了三个阶段，即疲劳裂纹萌生阶段，疲劳裂纹扩展阶段，最终瞬断阶段。各阶段的形成与变化机理如下：

1）疲劳裂纹萌生阶段

在交变载荷作用下，材料表层局部发生塑性变形扁体产生滑移，出现滑移线或滑移带，滑移积累以后，在表面形成微观挤入槽与挤出峰，如图4.5所示。峰底处应力高度集中，极易形成微裂纹（即疲劳断裂源），也称为疲劳核心。

2）疲劳裂纹扩展阶段

疲劳裂纹的扩展一般分为两个阶段：第一阶段称切向扩展阶段，即在循环应力的反复作用下，表面裂纹沿最大应力方向的滑动面向零件内部逐渐扩展，因最初的滑移是由最大切应力引起的，故挤入槽与挤出峰原始裂纹源均与拉伸应力成±45°角方向扩展；第二个阶段称正向扩展阶段。此阶段裂纹的扩展方向改变为沿与正应力相垂直的方向，这一阶段也称疲劳裂纹的亚临界扩展。

pagenumber_ebook=73,pagenumber_book=65

图4.5　在滑移带产生的缺口峰

3）最终瞬断阶段

当裂纹在零件上扩展深度达到一定值（临界尺寸），零件残余断面不能承受其载荷（即断面应力大于或等于断面的临界应力）时，裂纹由稳态扩展转化为失稳态扩展，整个断面的残余面积便会在瞬间断裂；此阶段也称为疲劳裂纹的临界扩展。

根据断裂前应力循环次数的多少，疲劳断裂可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是指断裂前所经历的应力循环次数在105以上，而承受的应力则低于材料的屈服强度，甚至低于弹性极限状态下发生的疲劳。显然，这是一种常见的疲劳破坏，如轴、弹簧等零部件的失效，一般均属于高周疲劳破坏。当零部件断裂前经历的循环次数在102～105时，称为低周疲劳。低周疲劳的零部件，一般承受的循环应力较高，接近或超过材料的屈服强度，因而使得每一次应力循环都有少量的塑性变形产生，从而缩短了零部件寿命。

（2）疲劳断裂的断口分析

典型的疲劳断口按照断裂过程有三个形貌不同的区域：疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图4.6所示。

pagenumber_ebook=73,pagenumber_book=65

图4.6　疲劳断口示意图

1）疲劳核心区

疲劳核心区是疲劳断裂的源区，用肉眼或低倍放大镜就能找出断口上疲劳核心位置，它一般出现在强度最低、应力最高、靠近表面的部位。但如材料内部有缺陷，这个疲劳核心也可能在缺陷处产生。如承受弯扭载荷的零件，表面应力最高，一般疲劳核心在表面。如果表面经过了强化处理（滚压、喷丸等），则疲劳裂纹可移至表层以下。

零件在加工、储运、装配过程中留下的伤痕，极有可能成为疲劳核心，因为这些伤痕既有应力集中，又容易被空气及其他介质腐蚀损伤。疲劳核心的数目与载荷大小有关，特别是对旋转弯曲和扭转交变载荷作用（单向弯曲）下的断口，疲劳核心的数目随着载荷的增大而增多，可能会出现两个或两个以上的疲劳核心。

2）疲劳裂纹扩展区

疲劳裂纹扩展区是断口上最重要的特征区，常呈贝纹状或类似于海滩波纹状，每一条纹线标志着载荷变化（如机器开动或停止）时裂纹扩展一次所留下的痕迹。这些绞线以疲劳核心为中心向四周推进，与裂纹扩展方向垂直。疲劳断口上的裂纹扩展区越光滑，说明零件在断裂前经历的载荷循环次数越多，接近瞬断区的贝纹线越密，说明载荷值越小。如果这一区域比较粗糙，表明裂纹扩展速度快，载荷比较大。

3）瞬时断裂区

瞬时断裂区简称瞬断区（或静断区）。它是当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时发生快速断裂形成的破断区域。它的宏观特征与静载拉伸断口中快速破断的放射区及剪切唇相同。瞬时断裂区的位置和大小与承受的载荷有关，载荷越大，则最终破断区越靠近断面的中间，破断区的面积越小，则说明零件承受的载荷越小。

4.5.3　减少断裂失效的措施

断裂失效是最危险的失效形式之一，大多数金属零件由于冶金和零件加工中的种种原因，都带有从原子位错到肉眼可见的宏观裂纹等大小不同、性质不同的裂纹。但是，有裂纹的零件不一定立即就断，这中间要经历一段裂纹亚临界扩展的时间，并且在一定条件下，裂纹也可以不扩展。因此，如果能够采取有效措施就可以做到有裂纹的零件也不发生断裂。减少断裂失效的措施，可从以下三个方面考虑：

（1）优化零件形状结构设计，合理选择零件材料

零件的几何形状不连续和材料中的不连续均会产生应力集中现象。几何形状不连续通常称为缺口，如肩台圆角、沟槽、油孔、键槽、螺纹以及加工刀痕等。材料中的不连续通常称为材料缺陷，如缩松、缩孔、非金属夹杂物和焊接缺陷等。这些有应力集中发生的部位在循环载荷或冲击载荷的作用下，极易产生裂纹，并使其扩展最终发生断裂。因此，在零件结构设计中，要注意减少应力集中部位，综合考虑零件的工作环境（如介质、温度、负载性等）对零件的影响，合理选择零件材料，以达到减少发生疲劳断裂的目的。

（2）合理选择零件加工方法

在各种机械加工以及焊接、热处理过程中，由于加工或处理过程中的塑性变形、热胀冷缩以及金相组织转变等原因，零件内部会留有残余应力。残余应力分残余拉应力和残余压应力两种。残余拉应力对零件是有害的，而残余压应力则对零件疲劳寿命的延长是有益的。因此，应考虑尽量多地采用渗碳、渗氮、喷丸、表面滚压加工等可产生残余压应力的工艺方法对零件进行加工，通过使零件表面产生残余压应力，抵消一部分由外载荷引起的拉应力。

（3）安装使用

安全使用中必须注意以下四点：

①要正确安装，防止产生附加应力与振动。对重要零件，应防止碰伤、拉伤，因为每一个伤痕都可能成为一个断裂源。

②应注意保护设备的运行环境，防止腐蚀性介质的侵蚀，防止零件各部分温差过大。

③要防止设备过载，严格遵守设备操作规程。

④要对有裂纹的零件及时采取补救措施。例如，对不重要零件上的裂纹，可钻止裂孔或附加强筋板，防止和延缓其扩展；紧固件处周围的裂纹，可采取“去皮处理”的方法，即铰削紧固孔，将孔周围所有的裂纹部分全部去掉，再换用较大的紧固件，消除裂纹缺陷。

机械零件断裂原因及预防方法

相关推荐