李慶曉

中車齊齊哈爾車輛有限公司

檢測(cè)儀器在金屬結(jié)構(gòu)件失效分析及預(yù)測(cè)預(yù)防中的應(yīng)用

李慶曉

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檢測(cè)儀器是失效分析中必不可少的分析工具，檢測(cè)到的信息是分析的依據(jù)，同時(shí)分析正確性也需要儀器檢測(cè)信息來驗(yàn)證。對(duì)不同的失效，需要根據(jù)失效分析的診斷思路來選擇檢測(cè)儀器，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。基于此本文分析了檢測(cè)儀器在金屬結(jié)構(gòu)件失效分析及預(yù)測(cè)預(yù)防中的應(yīng)用。

檢測(cè)儀器；金屬結(jié)構(gòu)件失效；預(yù)防

1 、金屬結(jié)構(gòu)件失效條件

導(dǎo)致金屬構(gòu)件失效的條件，需要從多方面、多角度進(jìn)行考慮，主要包括：(1)焊接設(shè)計(jì)不合理。如果焊接位置選取不當(dāng)或者焊縫間距離太近，易使金屬結(jié)構(gòu)件局部剛性過大，出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；(2)材料本身的缺陷。如板材化學(xué)成分偏析，鑄鋼件的組織存在縮松、氣孔、裂紋等；(3)工藝不合理。包括未根據(jù)恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)制定合理的工藝，未根據(jù)材料的實(shí)際性能制定合理的工藝，未根據(jù)構(gòu)件所使用的環(huán)境和所承受的載荷選取合理的焊接方法等；(4)構(gòu)件所處的工作環(huán)境、工況條件差(如受到交變及沖擊載荷、持續(xù)高溫、強(qiáng)酸堿性等)，引起結(jié)構(gòu)材料疲勞破壞。投入使用的金屬焊接構(gòu)件，只要存在焊接時(shí)的缺陷，在持續(xù)載荷或應(yīng)力作用下就很難避免失效或者損壞現(xiàn)象。根據(jù)失效的基本條件對(duì)焊接失效進(jìn)行研究，可以從兩個(gè)方面考慮：一是引起金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接失效的根本原因；二是結(jié)構(gòu)件在應(yīng)用過程中所處的工作環(huán)境。

2 、失效的原因

2.1 斷裂失效

根據(jù)斷裂之前材料變形量的大小，可以分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂發(fā)生之前會(huì)有明顯的形變量及形變過程，脆性斷裂則幾乎不存在形變量，斷裂過程極短，由于其發(fā)生具有突然性所以往往破壞性較大。

首先是裂紋的形成過程(即所謂的形核)，之后是裂紋的逐步擴(kuò)展，最后當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)晶面斷裂；整個(gè)斷裂過程中，中間裂紋的擴(kuò)展過程相對(duì)較長，時(shí)間空間變化是比較明顯的，其次，還有一種常見于試驗(yàn)室的材料斷裂失效模式，專業(yè)術(shù)語稱之為靜載斷裂，通常見到的拉伸斷裂即屬于此種斷裂，相對(duì)于疲勞斷裂而言，生產(chǎn)生活過程中出現(xiàn)的幾率要小很多，造成的損壞也往往沒有疲勞斷裂那般巨大。斷裂的斷口多種多樣，試驗(yàn)中的判斷方法也是種類繁多，宏觀斷口和微觀斷口呈現(xiàn)不同的形貌，經(jīng)驗(yàn)豐富的專家可以根據(jù)斷口的形貌特征，逆向推斷出材料的斷裂過程及斷裂造成的原因，有助于制定相應(yīng)的對(duì)策及措施有效的進(jìn)行預(yù)防及改進(jìn)，減少次斷裂再次發(fā)生的可能性，將危害性盡可能降到最低，最大限度減少由此造成的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 磨損失效

影響金屬表面磨損的因素很多，如發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的金屬表面的運(yùn)動(dòng)方式(滑動(dòng)、滾動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、沖擊)，載荷與運(yùn)動(dòng)速度的大小，表面材料的種類、機(jī)械性能、化學(xué)活潑性和加工處理方式等，各種金屬表面加工工藝，環(huán)境條件(溫度、濕度、真空度、介質(zhì)性質(zhì)等)和工況條件(連續(xù)工作或間歇式工作)等。這些因素的相互影響使得金屬材料的磨損過程更為復(fù)雜。

由于摩擦表面凹凸不平，當(dāng)金屬表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些凸體就會(huì)相互摩擦導(dǎo)致接觸表面發(fā)生物理損傷，摩擦表面越粗糙，磨損也越嚴(yán)重。當(dāng)有固體雜質(zhì)顆粒進(jìn)入到金屬摩擦面之間時(shí)，這些微粒就會(huì)在金屬面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)起到刨槽的作用，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的磨損。

3 、檢測(cè)儀器的應(yīng)用

3.1 斷裂失效用的檢測(cè)儀器

斷裂失效是一種常見的失效模式，往往事發(fā)突然，往往造成重大事故，是失效分析的重點(diǎn)工作。

眾所周知，成分對(duì)材料的性能有決定作用。檢驗(yàn)材料成分的方法和儀器很多，主要有化學(xué)試劑分析法，光譜分析法等。用化學(xué)試劑對(duì)金屬材料中含有元素的檢測(cè)，可以依照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。對(duì)金屬材料，光譜是指原子光譜，其中又可細(xì)分為原子發(fā)射光譜，原子吸收光譜，原子熒光光譜。光譜分析既可以實(shí)現(xiàn)定性分析，又能定量分析。三種光譜法的檢出限都很低，一般為毫克級(jí)，很適合微量甚至痕量樣品的成分檢測(cè)；可激發(fā)的元素有70多種，并能同時(shí)檢測(cè)多種元素；檢測(cè)的自動(dòng)化程度高，而且精度高。其中，原子吸收光譜較發(fā)射光譜精度更高，多種元素的共存不會(huì)對(duì)原子吸收光譜產(chǎn)生干擾，絕對(duì)靈敏度可達(dá)10-1010-14。熒光光譜較前兩者具有儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，尤其是鋅、福等元素的檢出限比其他分析方法低一二個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于一些精度要求不太高的成分復(fù)驗(yàn)，特別是成分含量較高的合金，化學(xué)分析也不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

3.2 非斷裂失效用的分析儀器

非斷裂失效模式又可分為腐蝕失效、磨損失效。腐蝕失效的分析，有失效件的可以對(duì)腐蝕表面進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物分析?？梢圆捎门c零件使用相似的環(huán)境，對(duì)零件的腐蝕過程進(jìn)行模擬，當(dāng)然，對(duì)非常緩慢的過程，可以采用相應(yīng)的加速實(shí)驗(yàn)，再對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行腐蝕表面形貌觀察，判斷腐蝕機(jī)理。

由摩擦學(xué)可知，磨損主要有粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損、沖蝕磨損等。磨損的機(jī)理很復(fù)雜，隨工況的不同而使材料的失效模式各異，沒有萬能的耐磨材料。需要根據(jù)失效模式來進(jìn)行耐磨材料的選擇。因此，首先應(yīng)該對(duì)材料的磨損機(jī)理進(jìn)行研究。磨損表面形貌是分析磨損機(jī)理的直接根據(jù)。其觀測(cè)儀器可以用放大鏡或顯微鏡。但多數(shù)情況下，為了便于觀察磨損痕跡的細(xì)節(jié)，宜用掃描電鏡。掃描電鏡下，可以非常清楚地觀察到磨損造成的犁溝、點(diǎn)蝕、剝層、微動(dòng)咬蝕、氣蝕魚鱗坑等。硬度是材料耐磨性的一個(gè)重要的參數(shù)。硬度的測(cè)量現(xiàn)在有很多方法和儀器，如洛氏硬度儀、布氏硬度儀，以及還有便攜的肖氏硬度計(jì)等。這些儀器價(jià)格都較便宜，使用很方便。

總之，失效分析是多方面因素引起的，對(duì)檢測(cè)儀器的選擇是非常重要的，其能夠保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性、高效率，以及經(jīng)濟(jì)性，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要，需要引起重視。

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