《材料科學與工程概論》課件第9章

第9章材料的失效與防護工程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失效診斷技術和方法9.5金屬材料的失效模式及失效機理9.6陶瓷材料與高分子材料的失效模式及失效機理9.7材料失效的預防9.8零件的缺陷與無損檢測技術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(機電產(chǎn)品)失去正常工作應具有的效能的現(xiàn)象。

9.2失?效?的?分?類

1．按失效發(fā)展過程和速度、失效的工程含義分類

1)按產(chǎn)品失效的發(fā)展過程分類

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

(1)早期失效期。

(2)偶然失效期。

(3)磨損失效期。圖9-1失效率與使用時間的關系曲線

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)按其修復的可能性可分為暫時失效、永久失效。

(3)按其相關性可分為獨立失效和從屬失效(關聯(lián)失效和非關聯(lián)失效)。

2．按“經(jīng)濟法”觀點分類

機械產(chǎn)品的失效會造成一定的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡，往往會引起賠償和責任的訴訟。失效法按“經(jīng)濟法”的觀點分類是為了分清和判處失效的法律責任和經(jīng)濟責任。這種分類方法在處理索賠的失效事件時尤為重要。

3．按失效模式和失效機理分類

按失效模式和失效機理的具體分類見表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，失效是材料累計損傷過程，而且整個損傷發(fā)展過程都是有條件、有規(guī)律的。因此，在失效診斷中，應以反映失效規(guī)律與過程的思路，按照一定的程序來進行。9.3.2失效分析的步驟和程序

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

1．保護失效現(xiàn)場

保護失效現(xiàn)場的一切證據(jù)，維持原狀、完整無缺和真實不偽，是供失效分析得以順利有效進行的先決條件。失效現(xiàn)場的保護范圍視機械設備的類型及其失效發(fā)生的范圍而定。

2．偵查失效現(xiàn)場和收集背景材料

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

3．制定失效分析計劃

只有極少數(shù)的情況下，通過現(xiàn)場和背景材料的分析就能得出失效原因的結論。大多數(shù)失效案例根據(jù)現(xiàn)場偵察和背景材料相結合的綜合分析結果來制定“失效分析計劃”，確定進一步分析試驗的目的、內(nèi)容、方法和實施方式。

4．執(zhí)行失效分析計劃

失效分析的各項試驗應嚴格遵守計劃執(zhí)行，要有詳細記錄，隨時分析試驗結果。

5．綜合評定分析結果

授權的失效分析人員，要經(jīng)過充分的討論，對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)、背景材料及各項試驗結果做綜合分析，確定失效的過程和原因，得出分析結論。在復雜的失效案例下，可采用故障樹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，應分清主要原因和次要原因。

6．研究評定補救措施和預防措施

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救措施和預防措施。

7．起草失效分析報告

失效分析報告一般沒有統(tǒng)一的格式，但行文要簡練，條目要分明，內(nèi)容一般應包括下列項目：題目；任務來源；各項試驗過程及結果；分析結果；補救措施和預防措施或建議；附件(原始記錄、圖片等)；失效分析人員簽名及日期。

8．評審失效分析報告

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

9．提出失效分析報告

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

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信息，推動技術革新、促進科學技術進步和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

9.4失效診斷技術和方法

9.4.1斷口診斷技術和方法

1．斷口的選取、清理與保護

大型設備、零件失效后的殘骸體積大、質(zhì)量重，難以運輸和在實驗室觀察，需要選取典型斷口進行分析。

2．斷口形貌診斷方法和技術

對斷口和裂紋進行觀察分析一般包括宏觀觀察分析和微觀觀察分析兩個方面。9.4.2痕跡診斷技術和方法

1．痕跡及痕跡分析概述

力學、化學、熱學、電學等環(huán)境因素單獨地或協(xié)同地作用于機械，并在其表面或表面層留下的損傷性標記稱為在機械表面痕跡，簡稱痕跡。

2．痕跡的發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)技術及方法

對大的機件，如飛機、汽車、大型壓力容器等現(xiàn)場調(diào)查中，應著重在現(xiàn)場從機件或零件的表面顏色變化、表面結構變化、形貌變化等肉眼易見的特征上來發(fā)現(xiàn)痕跡。

3．痕跡的診斷技術和方法

1)痕跡的成分診斷

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

2)痕跡的組織結構與性能診斷

痕跡的組織結構診斷一般采用表面微區(qū)晶體結構分析技術。所謂晶體結構分析技術，就是指對晶體中原子在點陣中的排列方式、點陣類型和結構以及點陣畸變和點陣缺陷等進行分析。9.4.3腐蝕診斷技術和方法

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和電子顯微鏡來觀察。利用專用的動態(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)物的結構診斷

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

對一般的失效事件來說，失效原因的診斷往往是失效研究的核心和關鍵，它對于失效預防的針對性和預防性是重要的前提和基礎。

9.5金屬材料的失效模式及失效機理

金屬材料在使用過程中常見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)機器零件在工作時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)生過量的彈性變形就會造成零件失效，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)機器零件在使用過程中不允許產(chǎn)生塑性變形，但有時由于偶然的原因產(chǎn)生過載或材料抗塑性變形能力的降低，也會使零件產(chǎn)生塑性變形。當塑性變形超過允許量時零件就會失去其應有的效能。

2．斷裂失效

斷裂是指零件在工作過程中由于應力的作用完全分為兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象，致使機器設備和零件無法工作。材料的斷裂過程包括裂紋形成和擴展兩個階段。

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

3．表面損傷失效

零件在工作過程中，由于機械與化學的作用，使工件表面受到嚴重損傷而不能繼續(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

失效模式及失效機理

陶瓷屬于無機非金屬材料。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。其結合鍵為離子鍵或共價鍵，通常是它們的混合鍵。根據(jù)高分子材料所受的負荷條件，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)境應力開裂。

(5)磨損磨耗。

9.7材料失效的預防

9.7.1常用的預防失效技術

1．結構和尺寸設計

在設計零件的結構和尺寸時，設計人員首先要充分評估零件復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致斷裂或腐蝕失效；其次，結構設計時，應減少應力集中。

2．選材

設計人員要針對具體的工作條件，突出與工作條件相對應的性能指標，即選用的性能指標能夠反映材料對實際服役條件(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)程進行加工，控制零件尤其是高強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技術

1．合理的結構設計和工藝設計

合理的結構設計對于防腐蝕來說是十分重要的。

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，但對于鈍化的金屬和合金，應避免靜止溶液。

(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

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，是一種應用十分廣泛的防腐蝕措施。防護涂層根據(jù)其性質(zhì)，可分為以下幾種類型：

(1)金屬涂層。

(2)無機涂層(陶瓷或玻璃)。

(3)有機涂層。

(4)化學轉化膜。

5．陰極和陽極保護

陰極保護是將電子供給金屬結構以達到防腐的目的。9.7.3高分子材料的防老化

1．化學方法

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

(2)共聚改性。利用防老單體進行共聚和接枝。

(3)改進聚合工藝，減少合成高分子中的不穩(wěn)定結構(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)結構。

(4)表面涂層。

9.8零件的缺陷與無損檢測技術

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。

(6)輥印。(7)開裂。

(8)疏松。

(9)偏析。

(10)非金屬夾雜物。

(11)白點。

(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材料的無損檢測技術

無損檢測技術是利用聲、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)外部結構和