机械失效分析

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1、机械失效分析摘　要：失效分析在本世纪得到了迅猛发展,推动和促进了断裂力学相关学科的建立;金属材料断口学得到了充分的发展和完善,促进了机械产品失效的分析诊断和产品内在本质的改善;痕迹分析技术得以广泛应用;失效预测预防的理论、技术和方法也取得了一些进展。主题词：失效分析　预测预防　发展展望一　引言产品失效与人类社会的出现相伴随。失效分析受到真正重视是从以蒸汽动力和大机器生产为代表的工业革命开始的。从近代工业革命开始的近代失效分析不可能揭示产品失效的物理和化学本质,也不可能真正推动失效分析技术的高度发展。因此失效分

2、析这一古老的领域只是在本世纪,特别是得益于本世纪50年代末电子显微镜问世及其相关学科发展才得到真正的发展,进入了现代失效分析阶段。产品失效使人类付出了沉痛的代价,但失效分析结果的反馈,不断孕育着新的概念、新的理论和新的抗失效的工程设计方法。本文在总结本世纪机械失效分析领域所取得重大成就的基础上,对21世纪失效分析领域的热点问题提出初步见解。二20世纪机械失效分析领域的重大成就1　推动和促进断裂力学分支学科的建立和发展应当说,失效分析的发展推动了科学技术的发展,而其它学科的迅猛发展反过来也大大推动了失效分析学科

3、本身的发展,尤其是强度和断裂学科的创立和发展便是和失效分析的发展紧密相连。2　断口学虽然人们用肉眼和放大镜观察分析其断口形貌特征,已有相当长的历史。但断口分析作为一门研究金属断面的科学则是最近半个世纪的事情。本世纪50年代,随着电子行业的兴起,首先在电子产品领域里将失效分析的成果应用于产品的可靠性设计,使得失效分析进入了一个以数理统计为基础的新阶段。诚然,断口学的发展大大促进了失效分析的开展,但仅仅依靠断口分析就得出失效原因的结论,把断口学当做失效分析的全部内容,这是片面的。虽然断口学已得到很大发展,但仍有诸

4、多问题,首先是迄今为止的断裂分析还基本上是停留在以断口的定性分析为主。3　痕迹分析痕迹是一个含义丰富、历史悠久、应用甚多的概念。然而,痕迹分析作为科学方法并得以发展始于本世纪50年代,大量信息来自对古代痕迹的研究,“以古论今”的方法在古地理、古环境、沉积学、地质学中得到广泛的应用。痕迹学应用于失效分析由来已久,但真正成为在失效分析中应用的科学技术应该说是本世纪末的事情,其代表作则是张栋的“机械失效的痕迹分析”4　失效预测预防的理论、技术和方法的巨大进展除了前面介绍的本世纪失效分析诊断领域在断口学和痕迹学所取得

5、的巨大进展外,本世纪最后20年在失效预测预防的理论、技术和方法也取得了巨大进展。如安全状况的评估、剩余寿命的预测、累积失效概率的预测以及失效预防理论和技术的进展。机械失效分析从50年代末以来得到了迅猛发展,使机械失效分析从一种简单实用的事故分析技术即分析机械失效原因,进而为预测预防再失效的一门技术向一个分支学科飞跃提供了基础。作为正在兴起的分支学科,在即将来临的21世纪,机械失效分析领域面临着众多的机遇和挑战,有众多的热点领域等待着我们进行深入系统的研究。三21世纪失效分析领域的一些重要问题1　机械失效分支学

6、科的建立和完善机械失效学是研究产品的失效分析诊断、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的分支学科,其发展是以近代科学技术的高速发展相关联的。即使机械失效诊断学得到相对充分发展和相对完善,目前人们仍依据经验或根据已有的断口、裂纹、金相图谱来进行失效诊断。但是现有的图谱和案例集基本上仍是损伤定性的“特征诊断”。虽然也有一些定量分析的结果,但这些结果大多只是特定条件下的定量分析,尚不能给出损伤失效特征随条件变化的系统规律性认识的诊断依据。2　固体材料环境损伤的演化诱致突变及其预测任何材料都在特定环境下服

7、役,材料的失效取决于材料的环境行为。材料与服役条件交互作用的结果,使材料的组织、结构和性能发生变化,甚至最终导致材料的失效。材料的环境失效机理涉及材料、物理、化学、机械、电子等学科领域,其研究成果将构成改善材料品质的创新技术的理论基础,使材料的设计从被动的提高环境抗力到主动的适应多元环境的飞跃,并必将促进宏、微观弹塑性断裂力学、疲劳学和安全评估等学科的协同发展,建立、发展和完善与环境失效有关的模式、诊断、预测和控制等理论。3　新材料断口特征及其规律性的研究机械失效分析几乎均涉及对材料抗力和构件承受外力(包括环

8、境介质等)的分析。由于科学技术的迅猛发展,新材料在工程上得以广泛应用。不仅像陶瓷、工程塑料与复合材料这些与传统金属材料在力学行为、化学特性及断裂本质等方面存在巨大差异的新材料的断裂特征需要预先进行一些基础性研究,就是传统金属材料本身,由于现代制备技术的日益改进,像粉末冶金、定向凝固及单晶制备技术的大量采用,也使得损伤特征与原来发生了很大的改变。4　构件的安全可靠性评估技术对于大型构件,由于在设计、制