工程材料學(xué) 第9講

第五章金屬資料的失效

及典型工件的選材第一節(jié)、金屬資料的失效一、失效機(jī)理與損傷模型1、概念失效主要來(lái)自于制造商對(duì)用戶需求和期望的忽視和/或輕視、設(shè)計(jì)不當(dāng)、物料選擇與管理不當(dāng)或物料組合不當(dāng)、制造或組裝工藝不當(dāng)、缺乏適當(dāng)?shù)募夹g(shù)、用戶運(yùn)用不當(dāng)和產(chǎn)質(zhì)量量失控等。失效是一個(gè)復(fù)雜的概念，其有關(guān)的四個(gè)簡(jiǎn)化概念模型是：應(yīng)力－強(qiáng)度，損傷－韌性，鼓勵(lì)－呼應(yīng)，和容限－規(guī)格。特定的失效機(jī)理取決于資料或構(gòu)造缺陷、制造或組裝過(guò)程中導(dǎo)致的損傷、存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用環(huán)境等。影響事物形狀的條件統(tǒng)稱為應(yīng)力〔載荷〕。例如機(jī)械應(yīng)力與應(yīng)變、電流與電壓、溫度、濕度、化學(xué)環(huán)境和輻射等。影呼應(yīng)力作用的要素有資料的幾何尺寸、構(gòu)成和損傷特性,還有制造參數(shù)和運(yùn)用環(huán)境。2、失效的概念模型應(yīng)力－強(qiáng)度模型：當(dāng)且僅當(dāng)應(yīng)力超越特定強(qiáng)度時(shí)，物體才會(huì)失效。一個(gè)未失效的物體就像新的一樣。假設(shè)應(yīng)力沒(méi)有超越強(qiáng)度，應(yīng)力無(wú)論如何都不會(huì)對(duì)物體呵斥永久性的影響。可用于這一模型的例子是：a.鋼棒受拉應(yīng)力；b.在晶體管發(fā)射極-集電極之間施加電壓。損傷－韌性模型：應(yīng)力可以呵斥不可恢復(fù)的累積損傷，如腐蝕、磨損、疲勞、介質(zhì)擊穿等。累積損傷不會(huì)使產(chǎn)品運(yùn)用性能下降。當(dāng)且僅當(dāng)損傷超過(guò)韌性時(shí)，也就是損傷累積到物體的韌性極限時(shí)，物體才會(huì)失效。當(dāng)應(yīng)力消除時(shí)，累積損傷不會(huì)消逝。韌性經(jīng)常被看作為隨機(jī)變量。鼓勵(lì)－呼應(yīng)模型：假設(shè)系統(tǒng)的一個(gè)組件壞了，只需當(dāng)該組件被鼓勵(lì)〔需要〕時(shí)才發(fā)生呼應(yīng)失效，并暴露它是壞了，并導(dǎo)致系統(tǒng)失效。大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序〔軟件〕失效都屬于這種類型，交換系統(tǒng)也與這種失效方式類似。這種失效方式更多地取決于環(huán)境中的關(guān)鍵事件何時(shí)發(fā)生，而不是時(shí)間或循環(huán)歷程。當(dāng)這種失效方式的失效在系統(tǒng)中很少發(fā)生時(shí)，通常就很難判斷究竟是鼓勵(lì)不當(dāng)，或確實(shí)屬于某種失效。容限－規(guī)格模型：該模型用于當(dāng)且僅當(dāng)容限在規(guī)格范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)的性能特征才干符合要求，也就是失效發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)名義上在任務(wù)，但任務(wù)形狀不佳。這一模型的例子有復(fù)印機(jī)、丈量?jī)x器。任何存在性能質(zhì)量漸進(jìn)退化的部件或系統(tǒng)，都可以用該模型來(lái)表示。3、失效機(jī)理失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其它過(guò)程。該過(guò)程是應(yīng)力作用在部件上呵斥損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。本質(zhì)上，它是上面引見(jiàn)的概念模型中的一個(gè)或多個(gè)模型導(dǎo)致的。失效機(jī)理普通被概括分為過(guò)應(yīng)力機(jī)理和磨損機(jī)理。表1列出了能夠發(fā)生失效的普通失效機(jī)理，表中包括了常見(jiàn)失效機(jī)理，如介電擊穿、熱載流子、慢俘獲、外表電流分散、電遷移等?！?〕過(guò)應(yīng)力失效機(jī)理大彈性變形：當(dāng)發(fā)生過(guò)大的彈性變形時(shí)，會(huì)發(fā)生失效，尤其是過(guò)應(yīng)力作用在細(xì)長(zhǎng)構(gòu)造上。屈服：對(duì)一個(gè)組件施加的應(yīng)力超越其屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性應(yīng)變，即永久變形。翹曲：翹曲是由于細(xì)長(zhǎng)構(gòu)造在壓應(yīng)力作用下，忽然喪失了彈性穩(wěn)定性而導(dǎo)致的。脆性斷裂：在脆性資料〔也就是那些在斷裂前表現(xiàn)出很少的屈服和非彈性的資料〕中，部分微小的瑕疵能夠呵斥鋒利的應(yīng)力集中。對(duì)脆性資料施加過(guò)大的應(yīng)力時(shí)，會(huì)在主要的微瑕疵處產(chǎn)生忽然災(zāi)難性的裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致失效。形變斷裂：在機(jī)械工程中，對(duì)于高溫運(yùn)用的相對(duì)塑性資料，這種基于能量的方法是通用的，如在發(fā)動(dòng)機(jī)力的熄滅室運(yùn)用的資料，它在裂紋尖部處的塑性變形和蠕變是不能被忽視的。界面粘附失效：界面粘附失效發(fā)生在兩個(gè)相互粘附資料界面上?！?-1〕磨損失效機(jī)理疲勞裂紋萌生：當(dāng)對(duì)資料施加循環(huán)應(yīng)力時(shí)，由于損傷的累積，資料失效發(fā)生時(shí)所接受應(yīng)力遠(yuǎn)低于資料的最大拉伸強(qiáng)度。疲勞失效開(kāi)場(chǎng)時(shí)，會(huì)萌生很小的、只能用顯微鏡才干察看到的微裂紋，其位置通常在資料的不延續(xù)點(diǎn)或資料的缺陷處，這些地方會(huì)導(dǎo)致部分應(yīng)力或塑性應(yīng)變集中，這種景象稱作疲勞裂紋萌生。疲勞裂紋擴(kuò)展：一旦裂紋開(kāi)場(chǎng)萌生，在循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋就會(huì)穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展，直到在所施加應(yīng)力振幅作用下變得不穩(wěn)定為止。分散：分散是指資料中的原子、分子或離子遷徙到另一種資料體相中去的才干，它與時(shí)間相關(guān)。相互分散：當(dāng)兩種不同的資料在一個(gè)界面上嚴(yán)密接觸時(shí)，經(jīng)過(guò)分散，一種資料的分子可以遷徙到另一種資料中，反之亦然。這種景象就叫相互分散，它構(gòu)成了界面粘附。磨損：磨損是在接觸力作用下，兩個(gè)相互接觸的外表閱歷相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的資料侵蝕?！?-2〕磨損失效機(jī)理腐蝕：腐蝕是資料化學(xué)或電化學(xué)降解的過(guò)程。蠕變：當(dāng)環(huán)境溫度較高，并有在機(jī)械應(yīng)力作用下，有些資料如熱塑性聚合體、焊料和許多金屬都會(huì)發(fā)生隨時(shí)間而變化的變形，這主要是由于位錯(cuò)上升機(jī)理和聚合物鏈再定位〔自分散〕，或者是由于晶界滑移晶格間／晶格內(nèi)的空位遷徙〔晶格界面分散〕導(dǎo)致的。應(yīng)力腐蝕斷裂：應(yīng)力腐蝕斷裂是由于資料同時(shí)接受機(jī)械應(yīng)力和腐蝕景象作用，而同時(shí)出現(xiàn)斷裂和腐蝕兩種機(jī)理相互影響的結(jié)果。它是由于在腐蝕發(fā)生的外表缺陷處存在應(yīng)力集中〔可量化為應(yīng)力強(qiáng)度因子〕，當(dāng)應(yīng)力集中到達(dá)一臨界值時(shí)，機(jī)械斷裂就出現(xiàn)了。輻射損傷：輻射損傷可分為兩種方式：a.機(jī)械失效機(jī)理；b.更為嚴(yán)重的電子損傷機(jī)理。機(jī)械失效機(jī)理是輻射脆變；電子景象更多的是一種不可預(yù)測(cè)的過(guò)應(yīng)力和由單個(gè)輻射離子穿過(guò)超大規(guī)模集成〔ＶＬＳＩ〕電路而產(chǎn)生的軟錯(cuò)誤。對(duì)失效機(jī)理進(jìn)展分類的另一種方法，是基于觸發(fā)失效機(jī)理的應(yīng)力類型：機(jī)械、熱、電、輻射和化學(xué)。這樣分類并不完好，各類之間也不完全獨(dú)立，而僅僅是為了方便討論。機(jī)械失效是指由彈性變形和塑性變形、翹曲、脆性斷裂和形變斷裂、疲勞斷裂萌生和擴(kuò)展、蠕變和蠕變斷裂導(dǎo)致的失效。熱失效是指當(dāng)組件加熱到超越其臨界溫度，如玻璃化轉(zhuǎn)換溫度、熔點(diǎn)或閃點(diǎn)時(shí)發(fā)生的失效。輻射失效是由放射性污染物和二次宇宙光所引起的失效。化學(xué)失效是指由化學(xué)環(huán)境引起腐蝕、氧化和外表離子枝晶生長(zhǎng)等的失效。二、金屬資料的失效〔一〕概述1、金屬資料常識(shí)金屬資料是由金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的資料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬資料等。金屬資料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬資料。金屬資料按消費(fèi)成型工藝又分為鑄造金屬、變形金屬、放射成形金屬，以及粉末冶金資料。金屬資料的性能可分為工藝性能和運(yùn)用性能兩種。2、資料失效的概念回想定義：簡(jiǎn)單地說(shuō)，失效就是產(chǎn)品功能失去效果。詳細(xì)地說(shuō)，工程構(gòu)造部件在制造、市車(chē)、儲(chǔ)運(yùn)或服役過(guò)程中傷亡，使工程構(gòu)造無(wú)法任務(wù)或低效任務(wù)，或提早退役的景象，叫做失效。失效的緣由是由于資料的性能滿足不了服役(或制造、市車(chē)、貯運(yùn))時(shí)的力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)等外界條件，因此，按失效機(jī)理或者失效方式分為：變形、斷裂、磨損、燒損、物理性能降級(jí)等。對(duì)于廣泛運(yùn)用的金屬資料而言，腐蝕、磨損及斷裂是三種主要失效方式，前兩種是慢性病，而第三種是迸發(fā)性疾病，最易受人注重。剛度失效(FailurebyLostRigidity)—由于過(guò)量的彈性變形引起的失效.屈曲失效----由于平衡構(gòu)形的忽然轉(zhuǎn)變而引起的失效按照資料的失效方式和資料的失效機(jī)理對(duì)資料失效的分類失效形式主要因素失效機(jī)理斷裂力學(xué)韌斷及脆斷疲勞斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂腐蝕疲勞斷裂蠕變斷裂液態(tài)金屬脆化斷裂腐蝕化學(xué)腐蝕氫損傷磨損力學(xué)磨損微動(dòng)磨損液體沖刷失效磨蝕變形力學(xué)變形物理性能降級(jí)電、磁或光學(xué)物理性能降級(jí)〔二〕各類金屬資料失效方式引見(jiàn)1、斷裂斷裂是一切失效方式中最危險(xiǎn)的失效方式。航空航天飛行器、水中航行器、機(jī)械或工程構(gòu)造的主要承力部件假設(shè)發(fā)生斷裂，就能夠引起災(zāi)難性的事故，呵斥人員生命和財(cái)富的宏大損失，還能夠?qū)ι鐣?huì)呵斥心思沖擊。研討資料的斷裂機(jī)理和斷裂準(zhǔn)那么，是資料科學(xué)與工程中的重要研討課題。研討斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)造件在運(yùn)用過(guò)程中的平安。幾種主要的資料斷裂方式：〔1〕疲勞斷裂：金屬在循環(huán)載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生斷裂，這種景象就是疲勞斷裂。疲勞研討的目的是：1〕準(zhǔn)確地估計(jì)零〔部〕件的疲勞壽命，保證在服役期內(nèi)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生疲勞失效。2〕采用經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)和管理措施以延伸疲勞壽命?！?〕應(yīng)力腐蝕斷裂：資料在靜應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性斷裂，成為應(yīng)力腐蝕斷裂(Stresscorrosioncracking,SCC)?！?〕腐蝕疲勞斷裂：在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，引起金屬的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命降低的景象，成為腐蝕疲勞。有腐蝕疲勞引起的斷裂，那么稱為腐蝕疲勞斷裂?！?〕蠕變斷裂所謂高溫，是指機(jī)件的服役溫度超越金屬的再結(jié)晶溫度，即，(0.4~0.5Tm)，Tm為金屬的熔點(diǎn)。資料在高溫暖恒定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會(huì)發(fā)生緩慢的塑性變形，這種景象稱之為蠕變。拉伸蠕變曲線如下圖，它普通有如下通性：在加載的瞬間，產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變或者叫瞬時(shí)延伸率，瞬時(shí)延伸率是由彈性應(yīng)變和與時(shí)間無(wú)關(guān)的塑性應(yīng)變之和構(gòu)成的，在蠕變初期，有一個(gè)應(yīng)變速度隨時(shí)間而減小的過(guò)渡蠕變，又稱為瞬時(shí)蠕變，接著就出現(xiàn)應(yīng)變速度大致恒定的穩(wěn)態(tài)蠕變階段，此時(shí)，蠕變速度最小，此時(shí)的蠕變速度稱為最小蠕變速度。以后，可以看到，應(yīng)變速度加快，最后到達(dá)斷裂，該階段稱之為加速蠕變階段。Fig.3Typicalcreepcurveformetalsandalloys[11]2、腐蝕金屬外表與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)作用而蒙受破壞，叫做金屬腐蝕。金屬資料腐蝕普通分為兩大類：〔1〕化學(xué)腐蝕：化學(xué)腐蝕是因金屬外表與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而引起的，它的特點(diǎn)是作用進(jìn)展中沒(méi)有電流的產(chǎn)生，化學(xué)腐蝕又分為兩大類：a、氣體腐蝕：金屬在枯燥氣體中〔外表沒(méi)有濕氣冷凝〕發(fā)生的腐蝕，稱為氣體腐蝕。氣體腐蝕普通是在高溫時(shí)金屬的腐蝕。b、在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕：這是指金屬在不導(dǎo)電的液體中發(fā)生的腐蝕。2〕電化學(xué)腐蝕：電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕不同之點(diǎn)在于前者在進(jìn)展的過(guò)程中有電流產(chǎn)生。按照所修出環(huán)境的不同，可以把電化學(xué)腐蝕分為如下幾大類：a、大氣腐蝕：腐蝕在潮濕的環(huán)境〔例如空氣〕中進(jìn)展。b、土壤腐蝕：埋設(shè)在地下的金屬構(gòu)筑物，如管道、電纜等的腐蝕。c、在電解質(zhì)溶液中的腐蝕：這是極其廣泛的一類腐蝕，天然水及大部分水溶液對(duì)金屬構(gòu)造的腐蝕，例如在海水、酸、堿、鹽的水溶液中所發(fā)生的腐蝕都屬于這一類。d、在熔融鹽中的腐蝕：例如在熱處置車(chē)間中，熔鹽加熱爐中的鹽爐電極和所處置的金屬所發(fā)生的腐蝕。3、磨損金屬外表因機(jī)械磨損而引起的破壞，通常叫磨損。腐蝕和磨損這兩種破壞作用，有時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生。機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相互接觸的零件之間都會(huì)有相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在外力的作用下，相互接觸零件的外表之間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦。摩擦呵斥接觸金屬外表層資料的磨損，使零件尺寸發(fā)生變化，這就是磨損。磨損和摩擦使物體相互接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)共生的兩種景象。摩擦是磨損的緣由，而磨損是摩擦的必然結(jié)果。人們可以從不同的角度對(duì)磨損進(jìn)展分類，按環(huán)境和介質(zhì)可分為流體磨損、濕磨損、干磨損等。按外表接觸性質(zhì)可分為金屬-流體磨損、金屬-金屬磨損、金屬-磨料磨損等。目前比較流行的分類方法是按照磨損的失效機(jī)制進(jìn)展分類：黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損等。耐磨性的評(píng)價(jià)方法很多，可以用摩擦外表法相尺寸減少量來(lái)表示，稱為線磨損量。也可用體積和分量法來(lái)表示，分別稱之為體積磨損量和分量磨損量。三、資料失效的分析方法和普通分析程序失效背景資料的搜集試樣的選擇初步檢查顯微檢驗(yàn)化學(xué)分析及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)其他實(shí)驗(yàn)四、資料失效的預(yù)防——潛在失效方式及后果分析〔PotentialFailureModeandEffectsAnalysis，F(xiàn)MEA〕FMEA是一組系統(tǒng)化的活動(dòng)，其目的是發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品／過(guò)程中潛在的失效及其后果；找到可以防止或減少這些潛在失效發(fā)生的措施；將上述過(guò)程文件化；它是對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的完善，以明確什么樣的設(shè)計(jì)才干滿足客戶的要求。FMEA的實(shí)施及時(shí)性是勝利實(shí)施FMEA的最重要要素之一，它是一個(gè)“事前的行為〞，而不是“事后的行為〞。為到達(dá)最正確效益，F(xiàn)MEA必需在設(shè)計(jì)或過(guò)程失效方式被無(wú)意地納入設(shè)計(jì)產(chǎn)品之前進(jìn)展。FMEA的分類：設(shè)計(jì)FMEA(DFMEA)；過(guò)程FMEA(PFMEA)；設(shè)計(jì)FMEA。第二節(jié)、典型工件的選材了解學(xué)習(xí)工程資料學(xué)的目的就是為了讓工程技術(shù)人員可以在構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工和制造、以及構(gòu)件的運(yùn)用過(guò)程中，首先了解各類資料的特性，其次可以正確選用構(gòu)件的資料，并可以為構(gòu)件運(yùn)用提供合理的操作程序和運(yùn)用步驟以及提供合理的維護(hù)常識(shí)。只需從微觀本質(zhì)上去認(rèn)識(shí)資料，并掌握它們與外界條件之間的規(guī)律性聯(lián)絡(luò)，才能合理運(yùn)用資料。這就是學(xué)習(xí)工程資料學(xué)的主要目的。一、選材的普通原那么正確合理的選材應(yīng)思索以下三項(xiàng)根本原那么：〔1〕運(yùn)用性能。資料的運(yùn)用性能是選材時(shí)首先應(yīng)思索的問(wèn)題。對(duì)所選資料運(yùn)用性能的要求是在對(duì)零件任務(wù)條件及失效分析的根底上提出的，這樣才干做到有的放矢，并到達(dá)提高產(chǎn)質(zhì)量量的目的?！?〕工藝性能。零件加工的主要方法有鑄造、鍛造、焊接、熱處置以及切削加工等方法。工藝性能的好壞直接影響零件的消費(fèi)效率和產(chǎn)品合格率等，因此，選用的資料應(yīng)具有良好的工藝性能?！?〕經(jīng)濟(jì)性。選材時(shí)應(yīng)思索資料價(jià)錢(qián)、加工費(fèi)用和國(guó)家資源等詳細(xì)情況，以求降低