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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，可归纳为四个简化概念模型：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、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
2、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
3、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
4、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，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
5、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）磨损失效机理-1,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
6、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）磨损失效机理-2,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
7、由于位错上升机理和聚合物链再定位（自扩散），或者是由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。机械失效机理是辐射脆变；电子现象更多的是一种不可预测的过应力和由单个辐射离子穿过超大规模集成（）电路而产生的软错误。,对失效机理进行分类的另一种方法，是基于触发失效机理的应力类型：机械、热
8、、电、辐射和化学。这样分类并不完整，各类之间也不完全独立，而仅仅是为了方便讨论。如：机械失效指由弹性变形和塑性变形、翘曲、脆性断裂和形变断裂、疲劳断裂萌生和扩展、蠕变和蠕变断裂导致的失效。热失效指当组件加热到超过其临界温度，如玻璃化转换温度、熔点或闪点时发生的失效。辐射失效由放射性污染物和二次宇宙光所引起的失效。化学失效指由化学环境引起腐蚀、氧化和表面离子枝晶生长等的失效。,二、金属材料的主要失效形式1、材料失效的概念定义：简单地说，失效就是产品功能失去效果。具体地说，工程结构部件在制造、市车、储运或服役过程中伤亡，使工程结构无法工作或低效工作，或提前退役的现象，叫做失效。失效的原因是由于材料
9、的性能满足不了服役(或制造、市车、贮运)时的力学、化学、热学等外界条件，因此，按失效机理或者失效形式分为：变形、断裂、磨损、烧损、物理性能降级等。对于广泛使用的金属材料而言，腐蚀、磨损及断裂是三种主要失效方式，前两种是慢性病，而第三种是爆发性疾病，最易受人重视。,1、材料失效的概念回顾定义：简单地说，失效就是产品功能失去效果。具体地说，工程结构部件在制造、试车、储运或服役过程中伤亡，使工程结构无法工作或低效工作，或提前退役的现象，叫做失效。失效的原因是由于材料的性能满足不了服役(或制造、试车、贮运)时的力学、化学、热学等外界条件，因此，按失效机理或者失效形式分为：变形、断裂、磨损、烧损、物理性
10、能降级等。对于广泛使用的金属材料而言，腐蚀、磨损及断裂是三种主要失效方式，前两种是慢性病，而第三种是爆发性疾病，最易受人重视。,刚度失效(Failure by Lost Rigidity)由于过量的弹性变形引起的失效.,屈曲失效-由于平衡构形的突然转变而引起的失效,按照材料的失效形式和材料的失效机理对材料失效的分类,（二）各类金属材料失效形式介绍,1、断裂断裂是所有失效形式中最危险的失效形式。航空航天飞行器、水中航行器、机械或工程结构的主要承力部件若发生断裂，就可能引起灾难性的事故，造成人员生命和财产的巨大损失，还可能对社会造成心理冲击。研究材料的断裂机理和断裂准则，是材料科学与工程中的重要研
11、究课题。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证结构件在使用过程中的安全。,金属材料的主要断裂形式：,（1）疲劳断裂：金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象就是疲劳断裂。疲劳研究的目的是：1）精确地估计零（部）件的疲劳寿命，保证在服役期内构件不会发生疲劳失效。2）采用经济有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命。,（2）应力腐蚀断裂：材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂，成为应力腐蚀断裂(Stress corrosion cracking,SCC)。（3）腐蚀疲劳断裂：在循环应力和腐蚀介质的共同作用下，引起金属的疲劳强度和疲劳寿命降低的现象，成为腐蚀疲劳。有腐
12、蚀疲劳引起的断裂，则称为腐蚀疲劳断裂。,（4）蠕变断裂所谓高温，是指机件的服役温度超过金属的再结晶温度，即，(0.40.5Tm)，Tm为金属的熔点。材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称之为蠕变。拉伸蠕变曲线如图所示，一般有如下通性：在加载的瞬间，产生瞬时应变，瞬时延伸率是由弹性应变和与时间无关的塑性应变之和构成的。在蠕变初期，有一个应变速度随时间而减小的过渡蠕变，又称为瞬时蠕变，接着就出现应变速度大致恒定的稳态蠕变阶段，此时，蠕变速度最小，称为最小蠕变速度。此后可以看到，应变速度加快，最后达到断裂，该阶段称之为加速蠕变阶段。,Fig.3 Typi
13、cal creep curve for metals and alloys,2、腐蚀金属表面与周围介质发生化学及电化学作用而遭受破坏，叫做金属腐蚀。金属材料腐蚀一般分为两大类：（1）化学腐蚀：化学腐蚀是因金属表面与介质发生化学作用而引起的，它的特点是作用进行中没有电流的产生，化学腐蚀又分为两大类：a、气体腐蚀：金属在干燥气体中（表面没有湿气冷凝）发生的腐蚀，称为气体腐蚀。气体腐蚀一般是在高温时金属的腐蚀。b、在非电解质溶液中的腐蚀：这是指金属在不导电的液体中发生的腐蚀。,2）电化学腐蚀：电化学腐蚀和化学腐蚀不同之点在于前者在进行的过程中有电流产生。按所锈蚀环境的不同，可把电化学腐蚀分为如下几类
14、：a、大气腐蚀：腐蚀在潮湿的环境（例如空气）中进行。b、土壤腐蚀：埋设在地下的金属构筑物，如管道、电缆等的腐蚀。c、在电解质溶液中的腐蚀：这是极其广泛的一类腐蚀，天然水及大部分水溶液对金属结构的腐蚀，如在海水、酸、碱、盐的水溶液中所发生的腐蚀都属于这一类。d、在熔融盐中的腐蚀：例如在热处理车间中，熔盐加热炉中的盐炉电极和所处理的金属所发生的腐蚀。,3、磨损金属表面因机械磨损而引起的破坏，通常叫磨损。腐蚀和磨损这两种破坏作用，有时会同时发生。机器在运转时，相互接触的零件之间都会有相互作用力和相对运动。在外力的作用下，相互接触零件的表面之间因相对运动而产生摩擦。摩擦造成接触金属表面层材料的磨损，使
15、零件尺寸发生变化，这就是磨损。磨损和摩擦使物体相互接触并作相对运动时共生的两种现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。,人们可以从不同的角度对磨损进行分类，按环境和介质可分为流体磨损、湿磨损、干磨损等。按表面接触性质可分为金属-流体磨损、金属-金属磨损、金属-磨料磨损等。目前比较流行的分类方法是按照磨损的失效机制进行分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、微动磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损等。耐磨性的评价方法很多，可以用摩擦表面法相尺寸减少量来表示，称为线磨损量。也可用体积和重量法来表示，分别称之为体积磨损量和重量磨损量。,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试样的选择
16、初步检查 显微检验 化学分析及力学性能试验 其他试验,四、材料失效的预防 潜在失效模式及后果分析,其目的是发现、评价产品过程中潜在的失效及其后果；找到能够避免或减少这些潜在失效发生的措施；将上述过程文件化；它是对设计过程的完善，以明确什么样的设计才能满足客户的要求。材料失效预防的实施和实施的及时性是成功实施预防材料失效的最重要因素之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。为达到最佳效益，材料失效预防工作必须在设计产品之前或者在设计产品使用过程时予以充分考虑。,第二节、典型工件的选材 学习工程材料学的目的就是为了让工程技术人员能够在构件设计、构件加工和制造、以及构件的使用过程中，首先了
17、解各类材料的特性；其次能够正确选用构件材料，并能为构件使用提供合理的操作程序和使用步骤及提供合理的维护常识。只有从微观本质上去认识材料，并掌握它们与外界条件之间的规律性联系，才能合理使用材料。一、选材的一般原则（1）使用性能。材料的使用性能是选材时首先应考虑的问题。对所选材料使用性能的要求是在对零件工作条件及失效分析的基础上提出的，这样才能做到有的放矢，并达到提高产品质量的目的。（2）工艺性能。零件加工的主要方法有铸造、锻造、焊接、热处理及切削加工等方法。工艺性能的好坏直接影响零件的生产效率和产品合格率，因此，选用的材料应具有良好的工艺性能。（3）经济性。选材时应考虑材料价格、加工费用和国家资源等具体情况，以求降低产品成本。,二、典型工件的选材实例 我们以齿轮为例，介绍齿轮的选材过程。1、齿轮的工作条件、失效形式以及对材料性能的要求（1）齿轮的工作条件:书上p327。（2）齿轮的失效形式:书上p327-329（3）齿轮材料的性能要求:书上p329 2、齿轮类零件的选材:书上p329 3、典型齿轮选材实例（1）机床齿轮:P330-331（2）汽车齿轮:自学。,
