金属通常被认为具有延展性或脆性。然而，当它们因过载而失败时，有时会表现不同。有韧性的金属可能表现得像易碎的一样。易碎的金属可能表现出延展性。

韧性材料经常发生脆性断裂。从本质上讲，脆性材料很少以韧性模式开裂。

导致这些不同行为的因素包括:强度、温度、加载速率、应力集中、尺寸和各种组合。

强度
当金属过载时，强度是其行为最明显的决定因素。一般来说，柔软坚韧的金属具有延展性。更硬、更强的金属往往更脆。强度和硬度之间的关系是预测性能的好方法。低碳钢(AISI 1020)是柔软和延展性;另一方面，轴承钢很坚固，但很脆。钢的强度与硬度的关系如图1所示。

图1:钢的硬度与强度

伸长率(每单位长度的拉伸量)百分比，通常以2英寸长度的%表示，也是判断延展性的一种手段。韧性越强的金属伸长率越高。例如，更硬更强的4340调质钢的延伸率约为16%，而延展性更强的热轧1018钢的延伸率约为36%。

这种关系也有例外。最常见的例外是灰铸铁，尽管它很软，但却很脆。它由边缘锋利的石墨薄片组成，产生应力集中，覆盖了铁的延展性。

温度
温度对金属的延展性有很大的影响。低温会降低延性，而高温会提高延性。当零件在低温下过载时，更容易发生脆性断裂。在高温下，更有可能发生韧性断裂。

强度较低的钢(碳和合金较少)在温度降低时保持延展性(韧性)。当钢的强度增加时(更多的碳和合金)，随着温度的降低，延展性下降得更快。

导致脆性金属变得更具延展性的主要因素是高温。

夏比冲击试验图(图2)中的钢显示了这种变化。

图2:夏比冲击试验图

碳含量高于0.30%的高强度钢在室温下开始失去延展性(韧性)。低碳钢(含碳0.20%或更少)直到温度达到冰点(32°F)才开始失去延展性。

这种关系也有例外。不锈钢在低温下保持韧性。然而，不锈钢可能变得硬化，也失去延展性。

装载速度
当过载缓慢发生时，有足够的时间使金属发生微小的运动。这种金属在最终断裂前先塑性变形。突然的冲击常常使韧性材料表现为脆性。没有足够的时间让微观运动发生。当过载非常突然时，脆性行为经常出现在灾难性故障中。

应力集中
几何形状的变化，如键槽、直径变化、缺口、凹槽、孔和腐蚀，导致局部区域的应力远高于零件的相邻区域。

在没有应力集中的区域，微观运动更容易发生。在这种情况下，金属表现出延展性。应力集中不允许微观运动，因此脆性断裂的可能性更大。

大小
薄部件在过载时更有可能以延展性的方式失效。较大或较厚的部件在过载时表现得更像脆性金属，因为几何结构不允许应力均匀分布。图3显示了大小的影响。

图3:韧性金属更像脆性金属

薄的部件通常会有剪切唇或在一个角度上断裂;这是韧性断裂的特征。随着厚度的增加，剪切唇变小，裂缝变脆。

的相互作用
图4总结了可能出现过载故障的因素。

图4:超载裂缝影响因素汇总

这些经常发生在许多组合中，并且在特定的应用中受到许多并发症的影响。如果它们被认为是趋势，它们将有助于指导分析。

例如:如果一个延性零件由于腐蚀或加工不当而产生严重的应力集中，并受到冲击，所产生的断裂将具有脆性断裂的特征。

下面的例子说明了这些因素的重要性和相互作用。

韧性材料的脆性断裂
图5中的辊颈由退火4140钢制成。

图5:轴颈的脆性断裂。切割出一块用于冶金分析。

其硬度约为190 BHN，延伸率为26%，具有较强的延展性金属的特征。当用起重机将一个满载的辊装到支架上时，轴颈断裂。脆性断裂的发生有三个原因:

压力集中——严重

• 日记本已经修好了;直径减小，并在故障位置切割半径。
• 在半径处开始出现疲劳裂纹，进一步增加应力集中。

装载率高

• 当日刊失效时，书卷正被下放到书架上。

尺寸-大

• 日记的直径是4英寸。

补救措施

• 通过正确加工和修复轴颈来降低应力集中。

高强度板在低温下失效
采用高强板代替低碳钢在输送机转运点施工。之所以这样做，是因为软钢板被大块材料反复撞击而弯曲。随着冬天的临近和温度的下降，高强度板开始断裂。不得不在隆冬时节把它换掉。

强度-高

• 高强度钢取代了韧性低强度软钢。

温度-低

• 随着温度的下降，高强度钢吸收能量的能力(从延展性到脆性转变)急剧下降。

补救措施

• 使用较厚的软钢，在低温下保持延展性。

突然过载
图6中的提升链有两处失效。图6顶部的断裂为重复加载引起的疲劳断裂。

图6:起重机链条断裂

图6中连杆底部脆性断裂发生在疲劳断裂发生后不久。

链接变形，表明它是中等延展性(344 BHN)。剩余一侧突然增加的载荷导致了脆性断裂。在图7中可以看到脆性断裂的chevron标记。

图7:脆性断裂面

强度-高

• 链条是用较软的铁芯加固的。抗拉强度约为160,000 psi。

装载率高

• 当第一次断裂发生时，整个载荷瞬间转移到剩余一侧。

补救措施

• 定期检查链条是否因使用或维护不当而损坏

考虑所有可能影响过载裂缝的因素。错误的诊断对所有相关人员来说都是危险和昂贵的。当观察延性或脆性过载骨折时，要记住，通常情况下，它比看上去的要复杂。

Thomas Brown, P.E.是总部位于明尼苏达州德卢斯的可靠性解决方案的首席工程师。Tom运用他丰富的经验分析机械和部件故障，提供振动分析和基本可靠性技能培训。www.reliabilitysolutions.us．