金屬材料的失效形式及失效原因密切相關(guān),失效形式是材料失效過(guò)程的表觀特征,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行觀察。而失效原因是導(dǎo)致構(gòu)件失效的物理化學(xué)機(jī)制,需要通過(guò)失效過(guò)程調(diào)研研究及對(duì)失效件的宏觀、微觀分析來(lái)診斷和論證。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展,金屬制品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技以及人們的生活各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,因此金屬材料的質(zhì)量應(yīng)更加值得關(guān)注。
失效模式:設(shè)計(jì)不當(dāng),材料缺陷,鑄造缺陷,焊接缺陷,熱處理缺陷。
金屬材料失效機(jī)理將失效分為:斷裂失效;變形失效;磨損失效;腐蝕失效等四種類型。
(1)變形失效
所謂變形通常是機(jī)械構(gòu)件在外力作用下,其形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。從微觀上講是指金屬材料在外力作用下,其晶格產(chǎn)生畸變。若外力消除,晶格畸變亦消除時(shí),這種變形為彈性變形;若外力消除,晶格不能恢復(fù)原樣,即畸變不能消除時(shí),稱這種變形為塑性變形。變形失效是指機(jī)械構(gòu)件在使用過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量變形,即不能滿足原設(shè)計(jì)要求時(shí)變形量。一般情況下將變形失效分為彈性變形失效和塑性變形失效兩種。彈性變形失效將使機(jī)械構(gòu)件表面不留任何損傷痕跡,僅是金屬材料的彈性模量發(fā)生變化,而與機(jī)械構(gòu)件的尺寸和形狀無(wú)關(guān);塑性變形失效將導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件表面損傷,其機(jī)械構(gòu)件的形狀與尺寸均發(fā)生變化。
(2)磨損失效
磨損是摩擦作用下物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),表面逐漸分離出磨屑而不斷損傷的現(xiàn)象。
磨損失效是指由于磨損現(xiàn)象的發(fā)生使機(jī)械零部件不能達(dá)到原設(shè)計(jì)功效,即不能達(dá)到原設(shè)計(jì)水平。
磨損失效的類型有:①粘著磨損失效;②磨粒磨損失效;③腐蝕磨損失效;④變形磨損失效;⑤表面疲勞磨損失效;⑥沖擊磨損失效;⑦微振磨損失效等。
(3)斷裂失效
斷裂是指金屬或合金材料或機(jī)械產(chǎn)品在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象。它是個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程,包括裂紋的萌生及擴(kuò)展過(guò)程。斷裂失效是指機(jī)械構(gòu)件由于斷裂而引起的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品不能完成原設(shè)計(jì)的功能。
斷裂失效類型有如下幾種:①解理斷裂失效;②韌窩破斷失效;③準(zhǔn)解理斷裂失效;④疲勞斷裂失效;⑤蠕變斷裂失效;⑥應(yīng)力腐蝕斷裂失效;⑦沿晶斷裂失效;⑧液態(tài)或固態(tài)金屬脆性斷裂失效;⑨氫脆斷裂失效;⑩滑移分離失效等。
(4)腐蝕失效
腐蝕是指金屬或合金材料表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的損傷現(xiàn)象。
金屬腐蝕雖然在酸洗、化學(xué)電源、電解加工、金相浸蝕等方面起著有益于人類的作用,但是它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)上所造成的損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。由于腐蝕作用是機(jī)械構(gòu)件喪失原設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象稱為腐蝕失效。腐蝕失效的類型有:①直接化學(xué)腐蝕失效;②電化學(xué)腐蝕失效;③點(diǎn)腐蝕失效;④局部腐蝕失效;⑤沿晶腐蝕失效;⑥選擇性腐蝕失效;⑦縫隙腐蝕失效;⑧生物腐蝕失效;⑨磨損腐蝕失效;⑩氫損傷失效;應(yīng)力腐蝕失效等。
常用手段
金屬材料微觀組織分析:
金相分析
X射線相結(jié)構(gòu)分析
表面殘余應(yīng)力分析
金屬材料晶粒度
成分分析:直讀光譜儀、X射線光電子能譜儀(XPS)、俄歇電子能譜儀(AES)等
物相分析:X射線衍射儀(XRD)
殘余應(yīng)力分析:x光應(yīng)力測(cè)定儀
機(jī)械性能分析:萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、硬度試驗(yàn)機(jī)等
金屬材料失效分析方法
為了取得更好的分析效果,失效分析除了要對(duì)產(chǎn)品使用背景做到精確了解,最主要是要輔以一系列其他的檢驗(yàn)方法,如無(wú)損檢測(cè)、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、化學(xué)分析、X射線分析、斷裂韌性試驗(yàn)、電子能譜分析、模擬試驗(yàn)等。最后將上述分析和試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,并提出改進(jìn)措施,寫出失效分析報(bào)告。
(1)原始資料的收集構(gòu)件服役前的全部經(jīng)歷,構(gòu)件的服役歷史和失效時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況等。此外,還要從散落的失效殘骸或相關(guān)聯(lián)之樣品中選擇有分析價(jià)值的樣本。
(2)失效樣件的選擇與保存失效樣品是失效分析的第一手資料,是失效分析的依據(jù),在失效發(fā)生后應(yīng)小心謹(jǐn)慎收集,妥為保存,切記避免污染。
(3)失效樣品分析在失效事故中,一般都要形成斷口、裂紋或其它外觀不良等,因此對(duì)不良部位的分析是失效分析的最重要的分析手段。斷口分析包括宏觀斷口觀察和微觀斷口分析。
(4)其它檢驗(yàn)分析為更好地獲得分析結(jié)果,除了對(duì)關(guān)鍵部位觀察分析之外,還必須進(jìn)行化學(xué)、力學(xué)、物理等試驗(yàn)分析。化學(xué)分析包括常規(guī)的、局部的、表面的和微區(qū)的化學(xué)分析;金相檢驗(yàn);結(jié)構(gòu)分析;模擬試驗(yàn),例如對(duì)溫度、介質(zhì)濃度等環(huán)境因素對(duì)失效的影響的模擬等。
(5)綜合分析失效分析進(jìn)行到一定階段,需要對(duì)從各種檢查和試驗(yàn)所獲得的結(jié)果和基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析研究。