斷裂零件斷口發(fā)生的原因及對策

王敏

[摘 要] 引起機械設備故障的原因有內因和外因。機械設備本身的缺陷屬于內因。環(huán)境因素和時間因素同時對機械設備的影響屬于外因，這種影響可能是誘發(fā)因素，也可能是擴大因素，波及其他零件或設備發(fā)生故障。如果弄清了局部發(fā)生的異常和波及機理，并加以監(jiān)測和控制，就可避免故障向其他層次擴展。

[關 鍵 詞] 零件斷裂；斷裂類型；斷口形貌；斷口分析；對策

[中圖分類號] TH13 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）07-0146-01

零件斷裂是機械故障中的一個重要原因，在各種受力環(huán)境不同的情況下，金屬零件局部斷裂縫隙發(fā)展到一定的裂縫極限尺寸時，所承受的外力超過其強度極限而完全斷裂。與其他零件失效形式如磨損、形變相比，零件完全斷裂的幾率很小，但零件的斷裂除了機器不能正常工作外，還會發(fā)生非常嚴重的機械事故，甚至危及人身安全。

一、斷裂的類型

零件的斷裂可以從不同的角度出發(fā)進行分類，下面介紹兩種不同的分類方法。

（一）按宏觀形態(tài)分類

零件斷裂可分為韌性斷裂和脆性斷裂。在外加載荷作用下，零件最先發(fā)生的變形是彈性變形，當外力逐漸增加甚至超出發(fā)生彈性變形的力時，這時零件會發(fā)生不能復原的塑性變形，如果外力繼續(xù)增加，零件內部應力超過其強度極限時則發(fā)生韌性斷裂；當載荷所引起的應力還沒達到材料的彈性極限或屈服點時，零件此時發(fā)生的斷裂為脆性斷裂，其表現是之前沒有發(fā)生明顯的塑性變形，斷裂的發(fā)生是突然產生的，沒有任何預兆。

（二）按零件載荷性質分類

零件斷裂可分為一次加載斷裂和疲勞斷裂。所謂一次加載斷裂是指零件在一次靜載荷（或一次沖擊載荷）作用下而發(fā)生零件斷裂；所謂疲勞斷裂是指零件在運行中經過反復多次的外力作用后，其頻數達到零件壽命極限時發(fā)生的零件斷裂，零件在使用過程中約有60%～80%發(fā)生疲勞斷裂。

二、幾種斷口形貌

斷口的結構與外貌直接記錄了斷裂的原因、過程和斷裂瞬間各方面的發(fā)展情況，是斷裂原因分析的原始資料。下面是幾種斷口的形貌的表現形式。

（一）杯錐狀斷口

斷裂前伴隨大量大塑性變形的斷口，其底部裂紋不規(guī)則地穿過晶粒，因而呈灰暗色的纖維狀或鵝絨狀，邊緣有剪切唇，斷口附近有明顯的塑性變形。

（二）脆性斷裂斷口

其斷口平齊光亮，其上常有人字紋或放射花樣，斷口附近截面的收縮很小，一般不超過3%。

（三）疲勞斷裂斷口

經過反復應力作用發(fā)生零件疲勞斷裂后，在斷裂處表面會形成較明顯的三個區(qū)域：在最里層的是疲勞核心區(qū)、中間層的是疲勞裂紋擴展區(qū)和最外層的瞬時破斷區(qū)。疲勞核心區(qū)是零件開始產生斷裂的主要起源區(qū)域，一般總是發(fā)生在零件的表面。疲勞裂紋擴展區(qū)最明顯的特征是常呈現宏觀的疲勞弧帶和微觀的疲勞紋。瞬時破斷區(qū)是零件最后發(fā)生斷裂的地方。

三、斷口分析及對策

在機械故障中，通過對零件斷裂破壞形貌的斷口分析，可以準確推斷零件斷裂的類別和性質，通過對零件斷口的分析，可以找出零件被破壞的原因，做到防止斷裂事故的預防，減少機械故障的發(fā)生。在實際發(fā)生的機械故障中，零件斷裂的原因是非常復雜的，因此斷裂零件的斷口分析的方法也要根據零件實際工作環(huán)境來選取多種不同的方法進行分析。

（一）實際破裂情況的現場調查

零件發(fā)生斷列后，首先是不要破壞現場，要對現場進行保護，對于斷裂的零件碎片，還要防止其被污染、發(fā)生氧化和被周圍化學物腐蝕。不允許對斷面進行清洗，要先查清斷口的特征和照相記錄。另外，還要詳細調查零件的工作條件、運轉情況以及周圍環(huán)境等。

（二）斷口的宏觀分析

通過對零件斷口表征的宏觀分析，可以判斷其斷裂特征形式（如韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、一次加載斷裂），確認斷裂性質和斷裂原因，結合受力狀態(tài)、斷口變形方向，采取相應的預防措施。如判斷是疲勞斷裂，則應增加零件的疲勞強度，如是一次加載斷裂，則要提高零件的強度等。

（三）斷口的微觀分析

當零件發(fā)生斷裂時，要觀察斷口的形貌，也可以用電子顯微鏡對其進行微觀觀察，觀察微觀斷裂區(qū)域的變化過程，再進行分析，找出其斷裂斷口與零件金相組織的關系，初步斷定裂紋產生的原因。

（四）檢驗零件的金相組織、化學成分、力學性能

通過對零件的金相組織進行檢驗，可以找出零件材料的金相組織結構是否符合國家標準要求，也可以找出零件的金相組織是否存在宏觀和微觀的缺陷，找出裂紋的分布和走向。通過對零件材料的化學成分的檢驗，可以知道各種元素的含量，可以得到材料中雜質含量的相關數據，了解微量元素的含量情況是否符合零件材料的要求等。力學性能檢驗主要是檢驗金屬材料的機械力學性能（塑性、強度、硬度、韌性、疲勞強度和斷裂韌性）與常規(guī)數據相比是否符合要求。

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