《材料科學(xué)與工程概論》課件第9章

第9章材料的失效與防護(hù)工程9.1失效與失效分析的基本概念9.2失效的分類9.3失效分析的分析思路和步驟程序9.4失效診斷技術(shù)和方法9.5金屬材料的失效模式及失效機(jī)理9.6陶瓷材料與高分子材料的失效模式及失效機(jī)理9.7材料失效的預(yù)防9.8零件的缺陷與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)9.9材料選用的一般原則

9.1失效與失效分析的基本概念

失效是指材料(機(jī)電產(chǎn)品)失去正常工作應(yīng)具有的效能的現(xiàn)象。

9.2失?效?的?分?類

1．按失效發(fā)展過(guò)程和速度、失效的工程含義分類

1)按產(chǎn)品失效的發(fā)展過(guò)程分類

按照“浴盆曲線”的形狀，即按照產(chǎn)品失效發(fā)展過(guò)程，可以將整個(gè)失效過(guò)程分為以下三個(gè)：

(1)早期失效期。

(2)偶然失效期。

(3)磨損失效期。圖9-1失效率與使用時(shí)間的關(guān)系曲線

2)按產(chǎn)品失效發(fā)生的速度分類

按產(chǎn)品失效發(fā)生的速度分，失效可分為突然失效、漸進(jìn)失效、間歇失效三類。

3)按產(chǎn)品失效的工程含義分類

(1)按其整體性可分為系統(tǒng)失效、部件失效。

(2)按其修復(fù)的可能性可分為暫時(shí)失效、永久失效。

(3)按其相關(guān)性可分為獨(dú)立失效和從屬失效(關(guān)聯(lián)失效和非關(guān)聯(lián)失效)。

2．按“經(jīng)濟(jì)法”觀點(diǎn)分類

機(jī)械產(chǎn)品的失效會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，往往會(huì)引起賠償和責(zé)任的訴訟。失效法按“經(jīng)濟(jì)法”的觀點(diǎn)分類是為了分清和判處失效的法律責(zé)任和經(jīng)濟(jì)責(zé)任。這種分類方法在處理索賠的失效事件時(shí)尤為重要。

3．按失效模式和失效機(jī)理分類

按失效模式和失效機(jī)理的具體分類見(jiàn)表9-1。

9.3失效分析的分析思路和步驟程序

9.3.1失效分析的分析思路

從本質(zhì)上說(shuō)，失效是材料累計(jì)損傷過(guò)程，而且整個(gè)損傷發(fā)展過(guò)程都是有條件、有規(guī)律的。因此，在失效診斷中，應(yīng)以反映失效規(guī)律與過(guò)程的思路，按照一定的程序來(lái)進(jìn)行。9.3.2失效分析的步驟和程序

在多數(shù)情況下，特別是機(jī)械事故發(fā)生時(shí)，往往有大量零件同時(shí)遭到破壞，情況很復(fù)雜，而失效原因也錯(cuò)綜復(fù)雜、多種多樣。因此，正確進(jìn)行失效分析必須有一個(gè)合理的失效分析程序。圖9-2通用失效分析實(shí)施步驟和程序框圖

1．保護(hù)失效現(xiàn)場(chǎng)

保護(hù)失效現(xiàn)場(chǎng)的一切證據(jù)，維持原狀、完整無(wú)缺和真實(shí)不偽，是供失效分析得以順利有效進(jìn)行的先決條件。失效現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)范圍視機(jī)械設(shè)備的類型及其失效發(fā)生的范圍而定。

2．偵查失效現(xiàn)場(chǎng)和收集背景材料

失效現(xiàn)場(chǎng)偵查應(yīng)由授權(quán)的失效分析人員執(zhí)行，并授權(quán)收集一切有關(guān)的背景資料。失效現(xiàn)場(chǎng)偵查可用攝影、錄像、錄音、繪圖及文字描述等方式進(jìn)行記錄。

3．制定失效分析計(jì)劃

只有極少數(shù)的情況下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和背景材料的分析就能得出失效原因的結(jié)論。大多數(shù)失效案例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)偵察和背景材料相結(jié)合的綜合分析結(jié)果來(lái)制定“失效分析計(jì)劃”，確定進(jìn)一步分析試驗(yàn)的目的、內(nèi)容、方法和實(shí)施方式。

4．執(zhí)行失效分析計(jì)劃

失效分析的各項(xiàng)試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格遵守計(jì)劃執(zhí)行，要有詳細(xì)記錄，隨時(shí)分析試驗(yàn)結(jié)果。

5．綜合評(píng)定分析結(jié)果

授權(quán)的失效分析人員，要經(jīng)過(guò)充分的討論，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)、背景材料及各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果做綜合分析，確定失效的過(guò)程和原因，得出分析結(jié)論。在復(fù)雜的失效案例下，可采用故障樹(shù)或其他形式的邏輯圖分析方法。在大多數(shù)情況下，失效原因可能有多種，應(yīng)分清主要原因和次要原因。

6．研究評(píng)定補(bǔ)救措施和預(yù)防措施

失效分析的目的不僅限于弄清失效的原因，更重要的還在于研究提出有效的補(bǔ)救措施和預(yù)防措施。

7．起草失效分析報(bào)告

失效分析報(bào)告一般沒(méi)有統(tǒng)一的格式，但行文要簡(jiǎn)練，條目要分明，內(nèi)容一般應(yīng)包括下列項(xiàng)目：題目；任務(wù)來(lái)源；各項(xiàng)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果；分析結(jié)果；補(bǔ)救措施和預(yù)防措施或建議；附件(原始記錄、圖片等)；失效分析人員簽名及日期。

8．評(píng)審失效分析報(bào)告

失效分析評(píng)審會(huì)的組織形式及其參加人員可由有關(guān)方面協(xié)商決定，一般由失效分析工作人員、失效設(shè)備的制造廠商代表、用戶代表、管理部門(mén)代表、司法部門(mén)代表和聘請(qǐng)的其他專家組成。

9．提出失效分析報(bào)告

失效分析報(bào)告通過(guò)評(píng)審后，按評(píng)審決議修改并制定成報(bào)告的正式文本，內(nèi)容項(xiàng)目除上述外，還應(yīng)增加三項(xiàng)：評(píng)審意見(jiàn)，包括評(píng)審人員簽名及日期；呈送及抄送單位，包括抄送“反饋系統(tǒng)”；密級(jí)。

10．反饋失效分析成果

反饋系統(tǒng)是失效分析成果的管理系統(tǒng)，目的在于充分利用失效分析所獲得的寶貴技術(shù)信息，推動(dòng)技術(shù)革新、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

9.4失效診斷技術(shù)和方法

9.4.1斷口診斷技術(shù)和方法

1．?dāng)嗫诘倪x取、清理與保護(hù)

大型設(shè)備、零件失效后的殘骸體積大、質(zhì)量重，難以運(yùn)輸和在實(shí)驗(yàn)室觀察，需要選取典型斷口進(jìn)行分析。

2．?dāng)嗫谛蚊苍\斷方法和技術(shù)

對(duì)斷口和裂紋進(jìn)行觀察分析一般包括宏觀觀察分析和微觀觀察分析兩個(gè)方面。9.4.2痕跡診斷技術(shù)和方法

1．痕跡及痕跡分析概述

力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等環(huán)境因素單獨(dú)地或協(xié)同地作用于機(jī)械，并在其表面或表面層留下的損傷性標(biāo)記稱為在機(jī)械表面痕跡，簡(jiǎn)稱痕跡。

2．痕跡的發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)技術(shù)及方法

對(duì)大的機(jī)件，如飛機(jī)、汽車、大型壓力容器等現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，應(yīng)著重在現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)件或零件的表面顏色變化、表面結(jié)構(gòu)變化、形貌變化等肉眼易見(jiàn)的特征上來(lái)發(fā)現(xiàn)痕跡。

3．痕跡的診斷技術(shù)和方法

1)痕跡的成分診斷

痕跡的成分診斷即是對(duì)留痕物上的表面附著物、金屬粘結(jié)物的元素種類和含量進(jìn)行分析，以確定造痕物的種類。

2)痕跡的組織結(jié)構(gòu)與性能診斷

痕跡的組織結(jié)構(gòu)診斷一般采用表面微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。所謂晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，就是指對(duì)晶體中原子在點(diǎn)陣中的排列方式、點(diǎn)陣類型和結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)陣畸變和點(diǎn)陣缺陷等進(jìn)行分析。9.4.3腐蝕診斷技術(shù)和方法

1．腐蝕和磨損產(chǎn)物的形貌診斷

腐蝕和磨損產(chǎn)物主要包括附著在失效件表面的各種腐蝕產(chǎn)物、磨屑等。不同金屬的表面腐蝕形貌各不相同，同一金屬在不同的腐蝕時(shí)期也具有不同的形貌。金屬表面的腐蝕形貌特征可利用各種光學(xué)和電子顯微鏡來(lái)觀察。利用專用的動(dòng)態(tài)形貌儀——鐵譜儀可觀察磨屑的形貌特征。

2．腐蝕和磨損產(chǎn)物的成分診斷

腐蝕和磨損產(chǎn)物的成分診斷包括常規(guī)成分分析、局部成分分析、表面成分分析和微區(qū)成分分析等四種。

3．腐蝕和磨損產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)診斷

腐蝕和磨損產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)診斷一般采用X射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和電子衍射分析技術(shù)。9.4.4失效原因診斷技術(shù)和方法

對(duì)一般的失效事件來(lái)說(shuō)，失效原因的診斷往往是失效研究的核心和關(guān)鍵，它對(duì)于失效預(yù)防的針對(duì)性和預(yù)防性是重要的前提和基礎(chǔ)。

9.5金屬材料的失效模式及失效機(jī)理

金屬材料在使用過(guò)程中常見(jiàn)的失效形式主要有變形、斷裂和表面損傷三種，其具體分類如圖9-3所示。圖9-3金屬材料的失效模式

1．變形失效

1)彈性變形失效

大多數(shù)機(jī)器零件在工作時(shí)都處于彈性變形狀態(tài)。一般零件在一定載荷下只允許一定的彈性變形，若發(fā)生過(guò)量的彈性變形就會(huì)造成零件失效，影響加工精度、加速磨損、降低承載能力和增加噪聲等。

2)塑性變形失效

絕大多數(shù)機(jī)器零件在使用過(guò)程中不允許產(chǎn)生塑性變形，但有時(shí)由于偶然的原因產(chǎn)生過(guò)載或材料抗塑性變形能力的降低，也會(huì)使零件產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)塑性變形超過(guò)允許量時(shí)零件就會(huì)失去其應(yīng)有的效能。

2．?dāng)嗔咽?/p>

斷裂是指零件在工作過(guò)程中由于應(yīng)力的作用完全分為兩個(gè)或兩個(gè)以上部分的現(xiàn)象，致使機(jī)器設(shè)備和零件無(wú)法工作。材料的斷裂過(guò)程包括裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段。

根據(jù)斷裂方式可將其分為塑性斷裂、低應(yīng)力脆性斷裂、疲勞斷裂和蠕變斷裂等。

3．表面損傷失效

零件在工作過(guò)程中，由于機(jī)械與化學(xué)的作用，使工件表面受到嚴(yán)重?fù)p傷而不能繼續(xù)正常工作，這種失效稱為表面損傷失效。表面損傷失效大致分為磨損失效、表面疲勞失效和腐蝕失效三類。

9.6陶瓷材料與高分子材料的

失效模式及失效機(jī)理

陶瓷屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。絕大多數(shù)陶瓷是一種或幾種金屬元素與非金屬元素形成的化合物。其結(jié)合鍵為離子鍵或共價(jià)鍵，通常是它們的混合鍵。根據(jù)高分子材料所受的負(fù)荷條件，失效破壞的基本模式有以下幾類：

(1)直接加載下的斷裂。

(2)疲勞斷裂。

(3)蠕變斷裂。

(4)環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂。

(5)磨損磨耗。

9.7材料失效的預(yù)防

9.7.1常用的預(yù)防失效技術(shù)

1．結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先要充分評(píng)估零件復(fù)雜的受力條件和惡劣的服役環(huán)境，避免零件材料因承載能力不足而導(dǎo)致斷裂或腐蝕失效；其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)減少應(yīng)力集中。

2．選材

設(shè)計(jì)人員要針對(duì)具體的工作條件，突出與工作條件相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)，即選用的性能指標(biāo)能夠反映材料對(duì)實(shí)際服役條件(如載荷性質(zhì)、介質(zhì)、溫度)的抗力。

3．加工工藝與安裝

按工藝規(guī)程進(jìn)行加工，控制零件尤其是高強(qiáng)鋼零件及具有缺口敏感性零件的制造質(zhì)量。

4．使用與保養(yǎng)

按操作和維修規(guī)程進(jìn)行使用與保養(yǎng)，可減少環(huán)境損傷失效。9.7.2金屬和陶瓷材料腐蝕的控制與防護(hù)技術(shù)

1．合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于防腐蝕來(lái)說(shuō)是十分重要的。

2．根據(jù)使用環(huán)境選擇耐蝕材料

腐蝕是由于材料表面與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生作用而產(chǎn)

生的。

3．采取各種改善腐蝕環(huán)境的措施

環(huán)境因素對(duì)材料的腐蝕速度影響很大。在可能的條件下，為減少腐蝕可按以下原則改變環(huán)境條件：

(1)降低溫度。

(2)降低腐蝕介質(zhì)的流速，但對(duì)于鈍化的金屬和合金，應(yīng)避免靜止溶液。

(3)除去水溶液中的氧。

(4)降低腐蝕介質(zhì)中的離子濃度。

(5)添加緩蝕劑。

4．表面保護(hù)

用各種方法在材料表面施以涂層，既不改變基體材料的性質(zhì)，又能提高其耐蝕性，是一種應(yīng)用十分廣泛的防腐蝕措施。防護(hù)涂層根據(jù)其性質(zhì)，可分為以下幾種類型：

(1)金屬涂層。

(2)無(wú)機(jī)涂層(陶瓷或玻璃)。

(3)有機(jī)涂層。

(4)化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。

5．陰極和陽(yáng)極保護(hù)

陰極保護(hù)是將電子供給金屬結(jié)構(gòu)以達(dá)到防腐的目的。9.7.3高分子材料的防老化

1．化學(xué)方法

(1)利用高分子的反應(yīng)(如交聯(lián)、環(huán)化、氧化、取代等)改變高分子的結(jié)構(gòu)，提高耐老化性能。

(2)共聚改性。利用防老單體進(jìn)行共聚和接枝。

(3)改進(jìn)聚合工藝，減少合成高分子中的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(如雙鍵、含氧基和支鏈等)。

2．物理方法

(1)添加防老劑。

(2)共混改性。

(3)改變聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

(4)表面涂層。

9.8零件的缺陷與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

9.8.1零件缺陷

1．材質(zhì)缺陷

(1)裂紋。

(2)氣泡。

(3)分層。

(4)發(fā)紋。

(5)麻點(diǎn)。

(6)輥印。(7)開(kāi)裂。

(8)疏松。

(9)偏析。

(10)非金屬夾雜物。

(11)白點(diǎn)。

(12)晶粒粗大。

(13)脫碳。

2．材料的加工缺陷

1)鑄造缺陷

2)壓力加工缺陷

3)焊接缺陷

4)熱處理缺陷

5)表面處理缺陷

6)切削加工缺陷9.8.2材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是利用聲、光、熱、電、磁和射線等與被檢物質(zhì)的相互作用，在不損傷被檢物質(zhì)的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和