材料失效基礎(chǔ)知識(shí)

機(jī)械零件、構(gòu)件、設(shè)備、裝置或系統(tǒng)可統(tǒng)稱為機(jī)械產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱機(jī)械)。機(jī)械喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效。機(jī)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(jié)為材料的失效。

材料的失效表現(xiàn)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(guī)律上可歸納為各種材料累積損傷模式。為了滿足產(chǎn)品的規(guī)定功能，首先必須保證產(chǎn)品材料的宏觀完整性。由于材料完整性的喪失導(dǎo)致產(chǎn)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(jī)械產(chǎn)品最主要和最具危險(xiǎn)性的失效，其分類比較復(fù)雜，一般有如下幾種：按斷裂機(jī)理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準(zhǔn)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(zhì)分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂，在失效分析實(shí)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(xiàn)較為明顯的塑性變形。在工程結(jié)構(gòu)中，韌性斷裂一般表現(xiàn)為過載斷裂，即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。

脆性斷裂，工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)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(fā)生的斷裂稱作脆性斷裂，因其斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，故又稱作低應(yīng)力斷裂。由于脆性斷裂大都沒有事先預(yù)兆，具有突發(fā)性，對(duì)工程構(gòu)件與設(shè)備以及人身安全常常造成極其嚴(yán)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(gòu)件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)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(yīng)屬脆性斷裂范疇。但是，由于疲勞斷裂出現(xiàn)的比例高，危害性大，且是在交變載荷作用下出現(xiàn)的斷裂，因此國(guó)內(nèi)外工程界均將其單獨(dú)作為一種斷裂形式加以重點(diǎn)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(yīng)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(zhì)(周圍環(huán)境)產(chǎn)生的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)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(xù)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(dǎo)致材料不能勝任預(yù)定的功能或妨礙了其他零件的正常運(yùn)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(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)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(chǎn)品主要利用材料的某些性能，以滿足產(chǎn)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(fā)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(dāng)材料性能退化，不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，往往造成事故。所以，通常，材料性能退化是指產(chǎn)品材料在服役條件下其性能逐漸退化到規(guī)定值以下。

與產(chǎn)品失效相關(guān)的材料性能有：

物理性能，包括熱學(xué)性能、聲學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和輻照性能等; 檢測(cè)技術(shù) _

化學(xué)性能，包括抗氧化性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性等;

力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、彈性、塑性、韌性等;

復(fù)合性能，如高溫疲勞強(qiáng)度;

使用性能，如抗彈穿入性、耐磨性、刀刃鋒利性、消振性等。

機(jī)械產(chǎn)品失效的原因涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、材料、制造和工作環(huán)境等諸多因素，并且，失效往往是幾種原因綜合作用的結(jié)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(yù)防措施，防止失效事故重復(fù)發(fā)生。為此，失效分析需要應(yīng)用機(jī)械、力學(xué)、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、電子技術(shù)等多方面知識(shí)，需要借助現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)，從宏觀到微觀，從定性到定量，從單項(xiàng)到綜合的系統(tǒng)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(jìn)行失效分析的思路和方法也不一樣。以金屬件為例，國(guó)際上比較公認(rèn)的分析步驟和順序是美國(guó)的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。這兩套分析程序?qū)嵸|(zhì)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(shù)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(shè)計(jì)要求以及失效件的使用情況和環(huán)境。特別是有關(guān)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(yīng)記入上述文件，而且必須進(jìn)行斷口表面或其他重要的失效特征的保護(hù)，不得造成損害。

3、機(jī)械設(shè)計(jì)分析(應(yīng)力分析)：當(dāng)失效件是重要的承重構(gòu)件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度分析(應(yīng)力分析)，正確評(píng)估其承載能力或其他力學(xué)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(shè)計(jì)要求，從而可能找出失效的原因。

4、化學(xué)成分設(shè)計(jì)分析：據(jù)此可考察材料的力學(xué)性能、工藝性能和抗腐蝕性能。

5、制造過程及其各工藝環(huán)節(jié)分析：錯(cuò)誤的加工工藝過程往往是導(dǎo)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(cuò)誤和機(jī)加工、磨削的錯(cuò)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(shí)，往往可以發(fā)現(xiàn)明顯的形貌特征，可按照斷裂特征和載荷性質(zhì)之間的關(guān)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(yàn)和局部化學(xué)成分試驗(yàn)，以此確定斷裂機(jī)理。通常都是采用電子顯微鏡分析。

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

9、性能檢驗(yàn)：性能檢驗(yàn)是與設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的性能試驗(yàn)，這種確定性能的試驗(yàn)通常是破壞性試驗(yàn)。在不允許對(duì)失效件做破壞性取樣時(shí)，可以用硬度試驗(yàn)來推斷其力學(xué)性能，如屈服強(qiáng)度等。

10、失效分析：模擬失效原因，制作與失效件相同的構(gòu)件，使之在設(shè)計(jì)要求的真實(shí)工況下運(yùn)行。這是非常昂貴但卻可信的試驗(yàn)，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(dāng)材料發(fā)生失效時(shí)，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(jī)制，判斷失效性質(zhì)，明確失效原因，并積極探求有效途徑以預(yù)防重蹈覆轍。這既能提高材料承載能力或延長(zhǎng)使用壽命，又可做到材盡其用，充分發(fā)揮材料使用潛力。 檢測(cè)技術(shù) _

材料失效分析涉及學(xué)科范圍廣泛，需要運(yùn)用金屬學(xué)、工程力學(xué)、物理化學(xué)等方面的研究成果，借助現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)，從宏觀到微觀、從定性到定量、從單項(xiàng)到綜合進(jìn)行系統(tǒng)性分析，從而建立材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用與保養(yǎng)等方面的規(guī)范。