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时间:2021-05-22
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1、第五章金属材料的失效及典型工件的选材第一节、金属材料的失效一、失效机理与损伤模型1、概念失效主要来自于制造商对用户需求和期望的忽视和/或轻视、设计不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等。失效是一个复杂的概念,其有关的四个简化概念模型是:应力-强度,损伤-韧性,激励-响应,和容限-规格。特定的失效机理取决于材料或结构缺陷、制造或组装过程中导致的损伤、存储和现场使用环境等。影响事物状态的条件统称为应力(载荷)。例如机械应力与应变、电流与电压、温度、湿度
2、、化学环境和辐射等。影响应力作用的因素有材料的几何尺寸、构成和损伤特性,还有制造参数和应用环境。2、失效的概念模型应力-强度模型:当且仅当应力超过特定强度时,物体才会失效。一个未失效的物体就像新的一样。如果应力没有超过强度,应力无论如何都不会对物体造成永久性的影响。可用于这一模型的例子是:a.钢棒受拉应力;b.在晶体管发射极-集电极之间施加电压。损伤-韧性模型:应力可以造成不可恢复的累积损伤,如腐蚀、磨损、疲劳、介质击穿等。累积损伤不会使产品使用性能下降。当且仅当损伤超过韧性时,也就是损伤累积到物体的韧性极限时,物
3、体才会失效。当应力消除时,累积损伤不会消失。韧性经常被看作为随机变量。激励-响应模型:如果系统的一个组件坏了,只有当该组件被激励(需要)时才发生响应失效,并暴露它是坏了,并导致系统失效。大多数计算机程序(软件)失效都属于这种类型,电话交换系统也与这种失效模式类似。这种失效模式更多地取决于环境中的关键事件何时发生,而不是时间或循环历程。当这种失效模式的失效在系统中很少发生时,通常就很难判断到底是激励不当,或的确属于某种失效。容限-规格模型:该模型用于当且仅当容限在规格范围内时,系统的性能特征才能符合要求,也就是失效发
4、生时,系统名义上在工作,但工作状态不佳。这一模型的例子有复印机、测量仪器。任何存在性能质量渐进退化的部件或系统,都可以用该模型来表示。3、失效机理失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其它过程。该过程是应力作用在部件上造成损伤,最终导致系统失效。本质上,它是上面介绍的概念模型中的一个或多个模型导致的。失效机理一般被概括分为过应力机理和磨损机理。表1列出了可能发生失效的一般失效机理,表中包括了常见失效机理,如介电击穿、热载流子、慢俘获、表面电流扩散、电迁移等。(1)过应力失效机理大弹性变形:当发生过大的弹性变形时,
5、会发生失效,尤其是过应力作用在细长结构上。屈服:对一个组件施加的应力超过其屈服强度时,就会产生不可回复的塑性应变,即永久变形。翘曲:翘曲是由于细长结构在压应力作用下,突然丧失了弹性稳定性而导致的。脆性断裂:在脆性材料(也就是那些在断裂前表现出很少的屈服和非弹性的材料)中,局部微小的瑕疵可能造成尖锐的应力集中。对脆性材料施加过大的应力时,会在主要的微瑕疵处产生突然灾难性的裂纹扩展,从而导致失效。形变断裂:在机械工程中,对于高温应用的相对塑性材料,这种基于能量的方法是通用的,如在发动机力的燃烧室使用的材料,它在裂纹尖部
6、处的塑性变形和蠕变是不能被忽视的。界面粘附失效:界面粘附失效发生在两个相互粘附材料界面上。(2-1)磨损失效机理疲劳裂纹萌生:当对材料施加循环应力时,由于损伤的累积,材料失效发生时所承受应力远低于材料的最大拉伸强度。疲劳失效开始时,会萌生很小的、只能用显微镜才能观察到的微裂纹,其位置通常在材料的不连续点或材料的缺陷处,这些地方会导致局部应力或塑性应变集中,这种现象称作疲劳裂纹萌生。疲劳裂纹扩展:一旦裂纹开始萌生,在循环应力作用下,裂纹就会稳定地扩展,直到在所施加应力振幅作用下变得不稳定为止。扩散:扩散是指材料中的原
7、子、分子或离子迁徙到另一种材料体相中去的能力,它与时间相关。相互扩散:当两种不同的材料在一个界面上紧密接触时,通过扩散,一种材料的分子可以迁徙到另一种材料中,反之亦然。这种现象就叫相互扩散,它形成了界面粘附。磨损:磨损是在接触力作用下,两个相互接触的表面经历相对滑移运动而产生的材料侵蚀。(2-2)磨损失效机理腐蚀:腐蚀是材料化学或电化学降解的过程。蠕变:当环境温度较高,并有在机械应力作用下,有些材料如热塑性聚合体、焊料和许多金属都会发生随时间而变化的变形,这主要是由于位错上升机理和聚合物链再定位(自扩散),或者是由
8、于晶界滑移晶格间/晶格内的空位迁徙(晶格界面扩散)导致的。应力腐蚀断裂:应力腐蚀断裂是由于材料同时承受机械应力和腐蚀现象作用,而同时出现断裂和腐蚀两种机理相互影响的结果。它是由于在腐蚀发生的表面缺陷处存在应力集中(可量化为应力强度因子),当应力集中达到一临界值时,机械断裂就出现了。辐射损伤:辐射损伤可分为两种形式:a.机械失效机理;b.更为严重的电子损伤机理
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