材料失效分析解析
2018-04-26 admin

材料失效基礎知識


機械零件、構件、設備、裝置或系統可統稱為機械產品(簡稱機械)。機械喪失其規定功能的現象稱為失效。機械的失效通常是某一(或某些)零部件的失效所致,而某些零部件的失效最終可歸結為材料的失效。

材料的失效表現為材料的累積損傷和性能退化兩大類。


(一)材料的累積損傷


材料的累積損傷從宏觀表象規律上可歸納為各種材料累積損傷模式。為了滿足產品的規定功能,首先必須保證產品材料的宏觀完整性。由于材料完整性的喪失導致產品失效,是累積損傷的主要特征。這一類的失效模式(形式)主要有斷裂、表面損傷和過量變形。


1、斷裂


斷裂失效是機械產品最主要和最具危險性的失效,其分類比較復雜,一般有如下幾種:按斷裂機理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂;按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂;按斷裂性質分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂,在失效分析實踐中大都采用這種分類法。


韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現較為明顯的塑性變形。在工程結構中,韌性斷裂一般表現為過載斷裂,即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度或強度極限而發生的斷裂。


脆性斷裂,工程構件在很少或不出現宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的截面收縮率ψ<5%)情況下發生的斷裂稱作脆性斷裂,因其斷裂應力低于材料的屈服強度,故又稱作低應力斷裂。由于脆性斷裂大都沒有事先預兆,具有突發性,對工程構件與設備以及人身安全常常造成極其嚴重的后果。因此,脆性斷裂是人們力圖予以避免的一種斷裂失效模式。


疲勞斷裂,工程構件在交變應力作用下,經一定循環周次后發生的斷裂稱作疲勞斷裂。它是工程中最常見的斷裂,約占斷裂失效的80%~90%。按斷裂前宏觀塑性變形的大小分類,疲勞斷裂應屬脆性斷裂范疇。但是,由于疲勞斷裂出現的比例高,危害性大,且是在交變載荷作用下出現的斷裂,因此國內外工程界均將其單獨作為一種斷裂形式加以重點分析研究。


2、表面損傷失效


表面損傷失效是材料由于受到應力或溫度的作用而造成的表面損耗,或者是由于材料與介質(周圍環境)產生的化學或電化學反應而使金屬表面損傷。表面損傷失效是一種慢性失效的行為,其主要有腐蝕和磨蝕兩種形式。


腐蝕可分為連續腐蝕和局部腐蝕兩種類型。磨損的主要方式有磨料磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損和腐蝕磨損等。


3、過量變形失效


過量變形失效是指材料在載荷作用下,其尺寸或形狀的變化超過了所允許的范圍,導致材料不能勝任預定的功能或妨礙了其他零件的正常運行。它分為過量彈性變形和過量塑性變形(即永久變形)。過量彈性變形是由于材料剛度不足或因溫度升高造成彈性模量降低而造成。過量塑性變形是由于外加應力超過材料的屈服強度而造成的。


材料累積損傷的模式比較多,除了以上三種比較常見的類型外,還有老化、燒蝕和電侵蝕等。


(二)材料性能的退化


許多產品主要利用材料的某些性能,以滿足產品功能的需求。材料的各種性能在服役過程中由于受到外界條件的作用可能發生退化。這些性能的退化一般不破壞材料的宏觀完整性。但是,當材料性能退化,不符合設計要求時,往往造成事故。所以,通常,材料性能退化是指產品材料在服役條件下其性能逐漸退化到規定值以下。


與產品失效相關的材料性能有:


物理性能,包括熱學性能、聲學性能、光學性能、電學性能、磁學性能和輻照性能等;


化學性能,包括抗氧化性、耐腐蝕性、抗滲入性等;


力學性能,包括強度、彈性、塑性、韌性等;


復合性能,如高溫疲勞強度;


使用性能,如抗彈穿入性、耐磨性、刀刃鋒利性、消振性等。


機械產品失效的原因涉及到機械設計、材料、制造和工作環境等諸多因素,并且,失效往往是幾種原因綜合作用的結果。另外,失效分析的目的不僅在于失效原因的分析和判斷,更重要的是找出有效的預防措施,防止失效事故重復發生。為此,失效分析需要應用機械、力學、物理、化學、數學、電子技術等多方面知識,需要借助現代分析測試技術,從宏觀到微觀,從定性到定量,從單項到綜合的系統性分析。


材料失效分析程序


材料失效的類型多種多樣,所以,進行失效分析的思路和方法也不一樣。以金屬件為例,國際上比較公認的分析步驟和順序是美國的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。這兩套分析程序實質上是相同的,可以相互替代。

Brooks失效分析程序說明如下:


1、失效情況的描述:以技術文件的形式記述失效的歷史情況。如失效的特征過程、失效件的原設計要求以及失效件的使用情況和環境。特別是有關的照片資料和多媒體資料。


2、裸眼觀察:失效件失效后的總體形貌應記入上述文件,而且必須進行斷口表面或其他重要的失效特征的保護,不得造成損害。


3、機械設計分析(應力分析):當失效件是重要的承重構件時,應進行強度分析(應力分析),正確評估其承載能力或其他力學性能。這有助于確定失效件是否具有足夠的尺寸和合適的形狀,以滿足設計要求,從而可能找出失效的原因。


4、化學成分設計分析:據此可考察材料的力學性能、工藝性能和抗腐蝕性能。


5、制造過程及其各工藝環節分析:錯誤的加工工藝過程往往是導致失效的主要原因,如不合格的原材料、各種熱加工工藝的錯誤和機加工、磨削的錯誤等等。


6、宏觀斷口形貌檢查:在裸眼和低倍放大下檢查斷口表面時,往往可以發現明顯的形貌特征,可按照斷裂特征和載荷性質之間的關系來推斷斷裂的模式。


7、微觀斷口分析:包括斷口顯微形貌(斷口組織)試驗和局部化學成分試驗,以此確定斷裂機理。通常都是采用電子顯微鏡分析。


8、金相檢驗:金相試樣的制備需在失效件上切片,這可能要求有關各方在切片前取得一致。金相檢驗材料的顯微組織,有助于確認熱處理的質量情況,為失效原因提供證據。


9、性能檢驗:性能檢驗是與設計所對應的性能試驗,這種確定性能的試驗通常是破壞性試驗。在不允許對失效件做破壞性取樣時,可以用硬度試驗來推斷其力學性能,如屈服強度等。


10、失效分析:模擬失效原因,制作與失效件相同的構件,使之在設計要求的真實工況下運行。這是非常昂貴但卻可信的試驗,只有在特殊需要下才做。


材料失效分析


材料失效分析即失效診斷,也就是當材料發生失效時,利用各種儀器及方法,從斷口形貌觀察及破壞成分分析,推斷破壞機制,判斷失效性質,明確失效原因,并積極探求有效途徑以預防重蹈覆轍。這既能提高材料承載能力或延長使用壽命,又可做到材盡其用,充分發揮材料使用潛力。


材料失效分析涉及學科范圍廣泛,需要運用金屬學、工程力學、物理化學等方面的研究成果,借助現代分析測試技術,從宏觀到微觀、從定性到定量、從單項到綜合進行系統性分析,從而建立材料結構設計、材料選擇與使用、加工制造、裝配調整、使用與保養等方面的規范。


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