檢測儀器在金屬結構件失效分析及預測預防中的應用

李慶曉

中車齊齊哈爾車輛有限公司

檢測儀器在金屬結構件失效分析及預測預防中的應用

李慶曉

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檢測儀器是失效分析中必不可少的分析工具，檢測到的信息是分析的依據，同時分析正確性也需要儀器檢測信息來驗證。對不同的失效，需要根據失效分析的診斷思路來選擇檢測儀器，因此進一步加強對其的研究非常有必要?；诖吮疚姆治隽藱z測儀器在金屬結構件失效分析及預測預防中的應用。

檢測儀器；金屬結構件失效；預防

1 、金屬結構件失效條件

導致金屬構件失效的條件，需要從多方面、多角度進行考慮，主要包括：(1)焊接設計不合理。如果焊接位置選取不當或者焊縫間距離太近，易使金屬結構件局部剛性過大，出現應力集中的現象；(2)材料本身的缺陷。如板材化學成分偏析，鑄鋼件的組織存在縮松、氣孔、裂紋等；(3)工藝不合理。包括未根據恰當的標準制定合理的工藝，未根據材料的實際性能制定合理的工藝，未根據構件所使用的環境和所承受的載荷選取合理的焊接方法等；(4)構件所處的工作環境、工況條件差(如受到交變及沖擊載荷、持續高溫、強酸堿性等)，引起結構材料疲勞破壞。投入使用的金屬焊接構件，只要存在焊接時的缺陷，在持續載荷或應力作用下就很難避免失效或者損壞現象。根據失效的基本條件對焊接失效進行研究，可以從兩個方面考慮：一是引起金屬結構件產生焊接失效的根本原因；二是結構件在應用過程中所處的工作環境。

2 、失效的原因

2.1 斷裂失效

根據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。韌性斷裂發生之前會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展，最后當裂紋擴展到一定程度，就會出現晶面斷裂；整個斷裂過程中，中間裂紋的擴展過程相對較長，時間空間變化是比較明顯的，其次，還有一種常見于試驗室的材料斷裂失效模式，專業術語稱之為靜載斷裂，通常見到的拉伸斷裂即屬于此種斷裂，相對于疲勞斷裂而言，生產生活過程中出現的幾率要小很多，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，試驗中的判斷方法也是種類繁多，宏觀斷口和微觀斷口呈現不同的形貌，經驗豐富的專家可以根據斷口的形貌特征，逆向推斷出材料的斷裂過程及斷裂造成的原因，有助于制定相應的對策及措施有效的進行預防及改進，減少次斷裂再次發生的可能性，將危害性盡可能降到最低，最大限度減少由此造成的經濟損失。

2.2 磨損失效

影響金屬表面磨損的因素很多，如發生相對運動的金屬表面的運動方式(滑動、滾動、往復運動、沖擊)，載荷與運動速度的大小，表面材料的種類、機械性能、化學活潑性和加工處理方式等，各種金屬表面加工工藝，環境條件(溫度、濕度、真空度、介質性質等)和工況條件(連續工作或間歇式工作)等。這些因素的相互影響使得金屬材料的磨損過程更為復雜。

由于摩擦表面凹凸不平，當金屬表面發生相對運動時，這些凸體就會相互摩擦導致接觸表面發生物理損傷，摩擦表面越粗糙，磨損也越嚴重。當有固體雜質顆粒進入到金屬摩擦面之間時，這些微粒就會在金屬面相互運動時起到刨槽的作用，導致更為嚴重的磨損。

3 、檢測儀器的應用

3.1 斷裂失效用的檢測儀器

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

眾所周知，成分對材料的性能有決定作用。檢驗材料成分的方法和儀器很多，主要有化學試劑分析法，光譜分析法等。用化學試劑對金屬材料中含有元素的檢測，可以依照相應的國家標準方法進行。對金屬材料，光譜是指原子光譜，其中又可細分為原子發射光譜，原子吸收光譜，原子熒光光譜。光譜分析既可以實現定性分析，又能定量分析。三種光譜法的檢出限都很低，一般為毫克級，很適合微量甚至痕量樣品的成分檢測；可激發的元素有70多種，并能同時檢測多種元素；檢測的自動化程度高，而且精度高。其中，原子吸收光譜較發射光譜精度更高，多種元素的共存不會對原子吸收光譜產生干擾，絕對靈敏度可達10-1010-14。熒光光譜較前兩者具有儀器結構簡單，操作簡便，尤其是鋅、福等元素的檢出限比其他分析方法低一二個數量級。對于一些精度要求不太高的成分復驗，特別是成分含量較高的合金，化學分析也不失為一種經濟有效的方法。

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，有失效件的可以對腐蝕表面進行腐蝕產物分析?？梢圆捎门c零件使用相似的環境，對零件的腐蝕過程進行模擬，當然，對非常緩慢的過程，可以采用相應的加速實驗，再對實驗樣品進行腐蝕表面形貌觀察，判斷腐蝕機理。

由摩擦學可知，磨損主要有粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕磨損等。磨損的機理很復雜，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。需要根據失效模式來進行耐磨材料的選擇。因此，首先應該對材料的磨損機理進行研究。磨損表面形貌是分析磨損機理的直接根據。其觀測儀器可以用放大鏡或顯微鏡。但多數情況下，為了便于觀察磨損痕跡的細節，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、點蝕、剝層、微動咬蝕、氣蝕魚鱗坑等。硬度是材料耐磨性的一個重要的參數。硬度的測量現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等。這些儀器價格都較便宜，使用很方便。

總之，失效分析是多方面因素引起的，對檢測儀器的選擇是非常重要的，其能夠保證檢測的準確性、高效率，以及經濟性，因此進一步加強對其的研究非常有必要，需要引起重視。

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