微觀缺陷分析在金屬材料失效質量原因調查中的應用

楊杰森 馬途麗 蔣忠倫 陳娟

摘要：隨著材料科學的發展和科學技術水平的進步，掃描電子顯微鏡（又稱掃描電鏡、英文縮寫型SEM（SANNINGELECTRONMICROSCOPE））的性能及其在材料學中的應用范圍有了很大提高。掃描電鏡使用高能電子束掃描樣品。電子束與樣品物質的相互作用刺激了二次電子、后向散射電子等多種物理信息，從而觀察和分析了樣品表面或短球形態，目前在材料科學、冶金礦物、半導體&微電子、生命科學等領域，特別是材料學中，SEM被廣泛應用于粉末和纖維、石墨陶瓷、金屬材料、復合材料、納米材料等研究。結合SEM和其他分析儀器，可以觀察材料的微觀形態、晶粒大小形狀、元素定量和定性成分分析、材料斷裂分析和失效分析功能。已經成為材料科學和質量管理中不可缺少的工具之一。

關鍵詞：微觀缺陷分析;金屬材料失效;質量原因

引言

隨著材料科學的不斷發展和科學技術的進步，使用高能電子束掃描樣品的掃描電子顯微鏡（稱為掃描鏡或SEM（scanningclomscopy））的性能和范圍，通過各種物理信息，例如二次電子和電子束與樣品材料相互作用產生的反向電子，對樣品表面或形態進行觀察和分析，已被廣泛應用于材料科學、礦物等領域SEM與其他分析工具相結合，能夠觀察材料的微觀形態，組織顆粒形狀，對成分進行定量和定性分析，進行材料斷裂分析和失效分析，已成為材料科學和質量控制的重要工具之一。

1實驗材料及過程

1.1試驗材料

以6110鋁合金為研究對象，其化學成分見表1，鋁合金整體鍛造制備工藝如下：熔煉-鑄造-均勻化處理-擠壓-鍛造-熱處理，產品鍛造熱處理后，表面不平整，存在凸起在對缺陷區域進行小樣本切割后，用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對材料進行了觀察和分析。

1.2開裂金相分析及能譜分析

通過制備開裂面截面金相試樣并磨制拋光，可以很清晰地看到開裂部位截面宏觀特征。試樣截面特征相似，中部均有明顯的分層裂紋。中部開裂面附近可觀察到較多的裂紋呈“壓扁的網絡狀”，裂紋內存在氧化鐵，裂紋附近有密集的高溫氧化圓點。

1.3折彎件缺陷問題分析

折彎是形成冷沖壓的過程，即在灰色材料受力、應力超過材料的彎曲點以及塑性變形后加工某種形狀的過程。彎曲是指將板坯件放置在特殊的彎曲模具中、使用壓力機或使用特殊設備將注射模用作角度制造零件的過程。折彎材料時，其彎管頭處會發生重大的塑膠變形，亦即外層會延長，內部曲面會壓縮。彎曲半徑太小，無法彎曲。曲率半徑過大，導致彈性反彈。因此，曲率半徑值過高或過低可能會對彎曲零件的質量產生負面影響，而折彎半徑值過低是導致折彎缺陷的主要原因。除了塑性變形外，彎曲的零件還伴隨著彈性變形，當外力被移除時，彈性變形的彈性部分會立即恢復以產生彈性（反彈）或在壓力彎曲處斷裂，從而導致彎曲和斷裂。材料的彈性是材料在外力作用下變形的一種金屬特性，移除外力后，可恢復為其原始造型。

2結論

（1）缺陷部分可以看到疑似裂紋的線，該線大致平行于鍛造外觀輪廓，兩端均在內側終止而不與邊緣相交。（2）光學觀測，缺陷邊緣較光滑，無斷裂痕跡，無形狀變形痕跡。（3）缺陷界面上有直徑為2-3分的聚合物結構顆粒嵌入。（5）顆粒eds成分c含量為97%，表明該顆粒是調制器跌落。

3缺陷解決方案

3.1保持彎曲前的板料彎曲方向與板料軋制方向的垂直

軋制過程中鋼板形成的纖維織物由于方向不同，產生了材料力學性能的各向異性。在車間的實際操作過程中，當纖維的方向平行于折彎線的方向時，材料的抗拉強度較低，并且容易使管接頭斷裂。在這方面采取的處理措施如下：如果織物纖維的方向與受材料一般外觀約束的折彎線的方向平行，則折彎圓角半徑必須至少增加鈑金最小折彎半徑的兩倍;當組織中的纖維方向垂直于折彎線時，材料具有較高的抗拉強度，并且折彎圓角半徑可以是最小折彎半徑。折彎雙向工件時，必須了解折彎線方向上的組織纖維方向.

3.2加強對防腐涂料的涂裝控制

在鋼結構材料的運用過程中，還需要考慮到防腐材料的涂裝對其所產生的影響。一般來講，現階段的工作中都選擇一些較為晴朗的天氣、干燥的環境中進行防腐涂料的涂裝工作。如果在雨天或者大風的天氣中，盡可能地避免開展這方面的工作。正式的施工之前，需要對構件的表面進行充分的清潔處理，相關的工作人員在充分的了解到了說明書的相關要求和設計整體的方案之后，采取科學有效的管理措施進行防腐涂裝的施工管理。一般來講，主要是通過底層噴漿法，對于可能會出現腐蝕問題的地方進行噴涂的處理。在整個工作過程中，盡可能地避免漏涂、錯涂現象的發生。另外，還需要有效地避免一些酸性液體的腐蝕性作用。對其所產生的各種影響，在大的程度上提高鋼結構材料的質量。同防火處理的工作方式相同，完成了前期的涂裝之后也需要在后期的工作過程中對其進行相應的監管和維護。

3.3保持板料表面在彎曲前光滑

在實踐中，許多彎曲的零件被用作封套，例如面板、儀器封套等。這些零件需要良好的表面質量，以避免出現劃痕、斷裂等缺陷。為此，為了確保彎曲零件表面的質量，必須考慮到材料的合理選擇和使用;加工藝切削，凸模應合理拋光;選擇凹圓角和凹凸間隙。所采取的技術措施包括：將切割或切割的工件折彎，使剪切體面向內，即處于壓力狀態，形成效果更好;工件在折彎前用毛刺加工，折彎后可使用手動砂輪加工裂紋點。

結束語

通過分析金屬材料表面裂紋的缺陷，以使金屬材料更安全可靠，用有缺陷的魚骨圖和樹木建立了分析方法和模型。可對多方向金屬材料表面缺陷的原因進行系統深入的分析，確定企業級金屬材料可能存在缺陷的地方，以及缺陷類型和具體的缺陷信息。鑒于許多次區域----金屬材料系統、積累數據和繪制系統故障樹和缺陷圖所需的時間，以及金屬材料領域正在取得的技術進步，制定有效的材料缺陷分析方法至關重要數字化的手段更好地監測整個金屬材料的健康，乃至生命周期的健康狀態監測。

參考文獻

[1]李玉萍.各向異性指數和厚向異性指數對金屬板料拉延成形的影響[J].綿陽經濟技術高等?？茖W校學報，2000，17（4）：28-29.

[2]王德寶.Nb對超低碳Ti-IF鋼織構及平面各向異性的影響[C].第九屆中國鋼鐵年會，2013.

[3]史文禮.IF鋼平面各向異性與制耳效應的研究[J].河北冶金，2019，281（05）：23-26.

[4]劉立學，陳菲.降低IF鋼平面各向異性指數Δr的試驗研究[J].河北冶金，2019（7）：12-15.

[5]孫立新.油田建設中輕鋼結構建筑的設計與應用[J].油氣田地面工程，2013（011）：69-70.