材料失效和選材演示文稿

材料失效和選材演示文稿當(dāng)前第1頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)優(yōu)選材料失效和選材當(dāng)前第2頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)第一節(jié)、金屬材料的失效一、失效機(jī)理與損傷模型

1、概念

失效主要來自于制造商對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)、用戶使用不當(dāng)和產(chǎn)品質(zhì)量失控等。失效是一個(gè)復(fù)雜的概念，可歸納為四個(gè)簡化概念模型：應(yīng)力－強(qiáng)度，損傷－韌性，激勵(lì)－響應(yīng)，和容限－規(guī)格。特定的失效機(jī)理取決于材料或結(jié)構(gòu)缺陷、制造或組裝過程中導(dǎo)致的損傷、存儲和現(xiàn)場使用環(huán)境等。

影響事物狀態(tài)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。

影響應(yīng)力作用的因素有材料的幾何尺寸、構(gòu)成和損傷特性,還有制造參數(shù)和應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)前第3頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)2、失效的概念模型

應(yīng)力－強(qiáng)度模型：當(dāng)且僅當(dāng)應(yīng)力超過特定強(qiáng)度時(shí)，物體才會失效。一個(gè)未失效的物體就像新的一樣。如果應(yīng)力沒有超過強(qiáng)度，應(yīng)力無論如何都不會對物體造成永久性的影響?？捎糜谶@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)力可以造成不可恢復(fù)的累積損傷，如腐蝕、磨損、疲勞、介質(zhì)擊穿等。累積損傷不會使產(chǎn)品使用性能下降。當(dāng)且僅當(dāng)損傷超過韌性時(shí)，也就是損傷累積到物體的韌性極限時(shí)，物體才會失效。當(dāng)應(yīng)力消除時(shí)，累積損傷不會消失。韌性經(jīng)常被看作為隨機(jī)變量。當(dāng)前第4頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)激勵(lì)－響應(yīng)模型：如果系統(tǒng)的一個(gè)組件壞了，只有當(dāng)該組件被激勵(lì)（需要）時(shí)才發(fā)生響應(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，電話交換系統(tǒng)也與這種失效模式類似。這種失效模式更多地取決于環(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)這種失效模式的失效在系統(tǒng)中很少發(fā)生時(shí)，通常就很難判斷到底是激勵(lì)不當(dāng)，或的確屬于某種失效。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)的性能特征才能符合要求，也就是失效發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)名義上在工作，但工作狀態(tài)不佳。這一模型的例子有復(fù)印機(jī)、測量儀器。任何存在性能質(zhì)量漸進(jìn)退化的部件或系統(tǒng)，都可以用該模型來表示。當(dāng)前第5頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)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)或其它過程。該過程是應(yīng)力作用在部件上造成損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。本質(zhì)上，它是上面介紹的概念模型中的一個(gè)或多個(gè)模型導(dǎo)致的。

失效機(jī)理一般被概括分為過應(yīng)力機(jī)理和磨損機(jī)理。表1列出了可能發(fā)生失效的一般失效機(jī)理，表中包括了常見失效機(jī)理，如介電擊穿、熱載流子、慢俘獲、表面電流擴(kuò)散、電遷移等。當(dāng)前第6頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)（1）過應(yīng)力失效機(jī)理大彈性變形：當(dāng)發(fā)生過大的彈性變形時(shí)，會發(fā)生失效，尤其是過應(yīng)力作用在細(xì)長結(jié)構(gòu)上。屈服：對一個(gè)組件施加的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，就會產(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)長結(jié)構(gòu)在壓應(yīng)力作用下，突然喪失了彈性穩(wěn)定性而導(dǎo)致的。脆性斷裂：在脆性材料（也就是那些在斷裂前表現(xiàn)出很少的屈服和非彈性的材料）中，局部微小的瑕疵可能造成尖銳的應(yīng)力集中。對脆性材料施加過大的應(yīng)力時(shí)，會在主要的微瑕疵處產(chǎn)生突然災(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，對于高溫應(yīng)用的相對塑性材料，這種基于能量的方法是通用的，如在發(fā)動機(jī)力的燃燒室使用的材料，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)相互粘附材料界面上。

當(dāng)前第7頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)（2）磨損失效機(jī)理-1疲勞裂紋萌生：當(dāng)對材料施加循環(huán)應(yīng)力時(shí)，由于損傷的累積，材料失效發(fā)生時(shí)所承受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的最大拉伸強(qiáng)度。疲勞失效開始時(shí)，會萌生很小的、只能用顯微鏡才能觀察到的微裂紋，其位置通常在材料的不連續(xù)點(diǎn)或材料的缺陷處，這些地方會導(dǎo)致局部應(yīng)力或塑性應(yīng)變集中，這種現(xiàn)象稱作疲勞裂紋萌生。疲勞裂紋擴(kuò)展：一旦裂紋開始萌生，在循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋就會穩(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。擴(kuò)散：擴(kuò)散是指材料中的原子、分子或離子遷徙到另一種材料體相中去的能力，它與時(shí)間相關(guān)。相互擴(kuò)散：當(dāng)兩種不同的材料在一個(gè)界面上緊密接觸時(shí)，通過擴(kuò)散，一種材料的分子可以遷徙到另一種材料中，反之亦然。這種現(xiàn)象就叫相互擴(kuò)散，它形成了界面粘附。磨損：磨損是在接觸力作用下，兩個(gè)相互接觸的表面經(jīng)歷相對滑移運(yùn)動而產(chǎn)生的材料侵蝕。當(dāng)前第8頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)（2）磨損失效機(jī)理-2腐蝕：腐蝕是材料化學(xué)或電化學(xué)降解的過程。蠕變：當(dāng)環(huán)境溫度較高，并有在機(jī)械應(yīng)力作用下，有些材料如熱塑性聚合體、焊料和許多金屬都會發(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（自擴(kuò)散），或者是由于晶界滑移晶格間／晶格內(nèi)的空位遷徙（晶格界面擴(kuò)散）導(dǎo)致的。應(yīng)力腐蝕斷裂：應(yīng)力腐蝕斷裂是由于材料同時(shí)承受機(jī)械應(yīng)力和腐蝕現(xiàn)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)生的表面缺陷處存在應(yīng)力集中（可量化為應(yīng)力強(qiáng)度因子），當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一臨界值時(shí)，機(jī)械斷裂就出現(xiàn)了。輻射損傷：輻射損傷可分為兩種形式：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；電子現(xiàn)象更多的是一種不可預(yù)測的過應(yīng)力和由單個(gè)輻射離子穿過超大規(guī)模集成（ＶＬＳＩ）電路而產(chǎn)生的軟錯(cuò)誤。當(dāng)前第9頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)

對失效機(jī)理進(jìn)行分類的另一種方法，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)。這樣分類并不完整，各類之間也不完全獨(dú)立，而僅僅是為了方便討論。如：

機(jī)械失效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。

熱失效指當(dāng)組件加熱到超過其臨界溫度，如玻璃化轉(zhuǎn)換溫度、熔點(diǎn)或閃點(diǎn)時(shí)發(fā)生的失效。

輻射失效由放射性污染物和二次宇宙光所引起的失效。

化學(xué)失效指由化學(xué)環(huán)境引起腐蝕、氧化和表面離子枝晶生長等的失效。當(dāng)前第10頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)二、金屬材料的主要失效形式1、材料失效的概念定義：簡單地說，失效就是產(chǎn)品功能失去效果。具體地說，工程結(jié)構(gòu)部件在制造、市車、儲運(yùn)或服役過程中傷亡，使工程結(jié)構(gòu)無法工作或低效工作，或提前退役的現(xiàn)象，叫做失效。失效的原因是由于材料的性能滿足不了服役(或制造、市車、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)理或者失效形式分為：變形、斷裂、磨損、燒損、物理性能降級等。對于廣泛使用的金屬材料而言，腐蝕、磨損及斷裂是三種主要失效方式，前兩種是慢性病，而第三種是爆發(fā)性疾病，最易受人重視。當(dāng)前第11頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)1、材料失效的概念回顧定義：簡單地說，失效就是產(chǎn)品功能失去效果。具體地說，工程結(jié)構(gòu)部件在制造、試車、儲運(yùn)或服役過程中傷亡，使工程結(jié)構(gòu)無法工作或低效工作，或提前退役的現(xiàn)象，叫做失效。失效的原因是由于材料的性能滿足不了服役(或制造、試車、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)理或者失效形式分為：變形、斷裂、磨損、燒損、物理性能降級等。對于廣泛使用的金屬材料而言，腐蝕、磨損及斷裂是三種主要失效方式，前兩種是慢性病，而第三種是爆發(fā)性疾病，最易受人重視。當(dāng)前第12頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)當(dāng)前第13頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)當(dāng)前第14頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)當(dāng)前第15頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)剛度失效(FailurebyLostRigidity)—由于過量的彈性變形引起的失效.當(dāng)前第16頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)屈曲失效----由于平衡構(gòu)形的突然轉(zhuǎn)變而引起的失效當(dāng)前第17頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)按照材料的失效形式和材料的失效機(jī)理對材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)磨損微動磨損液體沖刷失效磨蝕變形力學(xué)變形物理性能降級電、磁或光學(xué)物理性能降級當(dāng)前第18頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)（二）各類金屬材料失效形式介紹1、斷裂斷裂是所有失效形式中最危險(xiǎn)的失效形式。航空航天飛行器、水中航行器、機(jī)械或工程結(jié)構(gòu)的主要承力部件若發(fā)生斷裂，就可能引起災(zāi)難性的事故，造成人員生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，還可能對社會造成心理沖擊。研究材料的斷裂機(jī)理和斷裂準(zhǔn)則，是材料科學(xué)與工程中的重要研究課題。研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證結(jié)構(gòu)件在使用過程中的安全。當(dāng)前第19頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)金屬材料的主要斷裂形式：

（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，也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象就是疲勞斷裂。疲勞研究的目的是：1）精確地估計(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)和管理措施以延長疲勞壽命。當(dāng)前第20頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)（2）應(yīng)力腐蝕斷裂：材料在靜應(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)。（3）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現(xiàn)象，成為腐蝕疲勞。有腐蝕疲勞引起的斷裂，則稱為腐蝕疲勞斷裂。當(dāng)前第21頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)（4）蠕變斷裂所謂高溫，是指機(jī)件的服役溫度超過金屬的再結(jié)晶溫度，即，(0.4~0.5Tm)，Tm為金屬的熔點(diǎn)。材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象稱之為蠕變。拉伸蠕變曲線如圖所示，一般有如下通性：在加載的瞬間，產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，瞬時(shí)延伸率是由彈性應(yīng)變和與時(shí)間無關(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，稱為最小蠕變速度。此后可以看到，應(yīng)變速度加快，最后達(dá)到斷裂，該階段稱之為加速蠕變階段。Fig.3Typicalcreepcurveformetalsandalloys當(dāng)前第22頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)2、腐蝕金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)作用而遭受破壞，叫做金屬腐蝕。金屬材料腐蝕一般分為兩大類：（1）化學(xué)腐蝕：化學(xué)腐蝕是因金屬表面與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而引起的，它的特點(diǎn)是作用進(jìn)行中沒有電流的產(chǎn)生，化學(xué)腐蝕又分為兩大類：

a、氣體腐蝕：金屬在干燥氣體中（表面沒有濕氣冷凝）發(fā)生的腐蝕，稱為氣體腐蝕。氣體腐蝕一般是在高溫時(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。當(dāng)前第23頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)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)行的過程中有電流產(chǎn)生。按所銹蝕環(huán)境的不同，可把電化學(xué)腐蝕分為如下幾類：

a、大氣腐蝕：腐蝕在潮濕的環(huán)境（例如空氣）中進(jìn)行。

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金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，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：例如在熱處理車間中，熔鹽加熱爐中的鹽爐電極和所處理的金屬所發(fā)生的腐蝕。當(dāng)前第24頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)3、磨損金屬表面因機(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有相互作用力和相對運(yùn)動。在外力的作用下，相互接觸零件的表面之間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生摩擦。摩擦造成接觸金屬表面層材料的磨損，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運(yùn)動時(shí)共生的兩種現(xiàn)象。摩擦是磨損的原因，而磨損是摩擦的必然結(jié)果。當(dāng)前第25頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)人們可以從不同的角度對磨損進(jìn)行分類，按環(huán)境和介質(zhì)可分為流體磨損、濕磨損、干磨損等。按表面接觸性質(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)行分類：黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、微動磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損等。耐磨性的評價(jià)方法很多，可以用摩擦表面法相尺寸減少量來表示，稱為線磨損量。也可用體積和重量法來表示，分別稱之為體積磨損量和重量磨損量。當(dāng)前第26頁\共有28頁\編于星期三\3點(diǎn)三、材料失效的分析方法和一般分析程序失效背景材料的收集試樣的選擇

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