工程材料與結構的失效及失效分析

張成江 王美林

摘 要：在某些工程領域中，材料和結構要接受惡劣條件的挑戰，所以材料和結構的失效是難以避免的。本文對工程材料與結構失效的原因進行分析，并介紹當前失效分析的技術，對未來失效分析的發展前景進行展望。

關鍵詞：工程材料；工程結構；失效；分析技術

各個工業部門使用的不同種類的材料和構件在外力環境影響下，經常被磨損和腐蝕，導致斷裂變形，最后失效。材料和構件的失效給國民經濟帶來了巨大的損失，還會對人們的生命安全造成威脅。失效分析有助于促進新材料、新工藝的發展，為了培養這方面的人才，如今失效分析已成為一門新的學科，設計化學、機械和力學領域。

1.工程材料與結構的失效

失效就是失去效力。工程中，零部件失去原有設計所規定的功能稱為失效。失效包括完全喪失原定功能；功能降低和有嚴重損傷或隱患，繼續使用會失去可靠性及安全性。機械零件的失效主要是由于整體斷裂，過大的殘余變形，零件的表面破壞，破壞正常的工作條件而引起的失效。機械產品的零件或部件處于下列三種狀態之一時就可定義為失效：完全不能工作；仍然可以工作，但已不能令人滿意地實現預期的功能；受到嚴重損傷不能可靠和安全地繼續使用，必須立即從產品或裝備拆下來進行修理或更換。

失效的原因可歸結為以下幾個方面：（1）用法不當，構件在非設計條件下運行。這是失效的一個普遍原因。（2）組裝錯誤及不恰當的維護。組裝錯誤包含這些因素，如少了一個螺栓或采用不正確的湘滑劑；設備維護的范圍從油漆表面到清理及潤滑，對此不重視會導致失效；有的失效是因為系統中其他一些零件工作不正常而引起的，這樣使此構件處于非設計的條件下導致失效。（3）設計錯誤。這是失效的很普遍的一個原因。可根據設計程序列出以下幾條：a.零件的尺寸與形狀，些通常決定于應力分析或幾何約束；b.材料，這關系到化學成分及為獲得所要求的性能而必需的處理方法（例如熱處理）；性能，這是有關應力分析的性能，但是其它性能如抗腐蝕性能也必須加以考慮。

2.失效分析技術

2.1痕跡分析技術

痕跡分析技術是比較常用的方法之一。痕跡分為機械損傷痕跡、腐蝕和污染痕跡、熱損傷痕跡。機械損傷痕跡又分為，壓入性機械損傷痕跡、撞擊性機械損傷痕跡、滑動機械損傷痕跡和切入性機械損傷痕跡。實際中構件的實效往往是這幾種痕跡組合起來的。通過痕跡分析，不僅可對事故和失效的發生、發展過程做出判斷，而且可為事故和失效分析結論提供可靠的佐證和依據。

2.2裂紋分析技術

裂紋是材料表面或內部完整性或連續性被破壞的一種現象，是斷裂的前期，斷裂則是裂紋發展的結果。裂紋在方向上分為：縱裂紋、橫裂紋等定向裂紋。裂紋分析包括裂紋的色譜分析、光譜分析、熱分析、質樸分析。色譜分析：是一種分離和分析方法，在分析化學、有機化學、生物化學等領域有著非常廣泛的應用。光譜分析：是根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法。熱分析：是指用熱力學參數或物理參數隨溫度變化的關系進行分析的方法。質譜分析：是指利用質譜或質譜聯用儀器對樣品進行質譜分析，以得到樣品不同的質譜圖譜表征數據和理化性能，實現樣品的定性定量分析和數據表征，滿足各科研院所和企業對質譜儀器分析的需求。

2.3斷口分析技術

斷口是物體受力后，按不同方向斷裂。破裂面形成凹凸不停的形狀稱為斷口。由于斷口真實地記錄了裂紋由萌生、擴展直至失穩斷裂全過程的各種與斷裂有關的信息。因此，斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學、斷裂化學和斷裂物理等諸多內外因素綜合作用的結果，對斷口進行定性和定量分析，可為斷裂失效模式的確定提供有力依據，為斷裂失效原因的診斷提供線索。顯微組織和斷口表面結構的特征在材料失效分析中起著突出的作用。普遍使用的是光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。光學顯微鏡是利用光學原理，把微小物體放大，以便人們觀察。掃描電子顯微鏡是利用電子和物質的相互作用，獲取樣品的物理和化學性質信息。透射電子顯微鏡可以看到光學顯微鏡不能看清的細微結構，分辨力可達0.2nm。

3.失效分析思路

失效分析思路是指導失效分析全過程的思維路線，是在思想中以機械失效的規律為理論依據，把通過調查、觀察和實驗獲得的失效信息分別加以考察，然后有機結合起來作為一個統一整體綜合考察，以獲取的客觀事實為證據，全面應用推理的方法，來判斷失效事件的失效模式，并推斷失效原因。

3.1逐個因素排除的思路

失效事件的原因包括操作人員、機械設備系統、材料、制造工藝、環境和管理6個方面。如果失效已確定純屬機械問題，則以設備制造全過程為一系統進行分析，即對機械所有的制作工序逐個進行分析，逐個因素排除。加工缺陷、鑄造缺陷、焊接缺陷、熱處理不當、再加工缺陷、裝配檢驗中的問題、使用和維護不當、環境損傷等11個方面，含有可能引起機械失效的121個主要因素。上述逐個因素排除的思路，面面俱到，不放過任何一個可疑點。此思路是早期安全工作中慣用的事故檢查思路，一般不宜采用這種方法，當找不到任何確切線索時，這種方法是一種比較好的辦法。

3.2殘骸分析法

殘骸分析法是從物理、化學的角度對失效零件進行分析的方法。以失效抗力指標為線索的失效分析思路，關鍵是在搞清楚零件服役條件的基礎上，通過殘骸的斷口分析和其它理化分析，找到造成失效的主要失效抗力指標，并進一步研究這一主要失效抗力指標與材料成分、組織和狀態的關系。通過材料工藝變革，提高這一主要的失效抗力指標，最后進行機械的臺架模擬試驗或直接進行使用考驗，達到預防失效的目的。值得指出的是，在不同的服役條件下，要求構件或材料具有不同的失效抗力指標的實質是要求其強度與塑性、韌性之間應有合理的配合。因此，研究構件或材料的強度、塑性等基本性能及它們之間的合理配合與具體服役條件之間的關系就是這一思路的核心。而進一步研究失效抗力指標與材料或零件的成分、組織、狀態之間的關系是提高其失效抗力的有效途徑。

3.3失效樹分析法

失效樹分析法是一種邏輯分析方法。失效樹分析法是：在系統設計過程中，通過對可能造成系統失效的各種因素進行分析，畫出邏輯框圖即失效樹，從而確定系統失效原因的各種可能的組合方式或發生概率，以計算系統失效概率，采取相應的糾正措施，以提高系統可靠性的一種設計分析方法。失效樹分析法簡稱FTA。FTA法具有很大的靈活性，即不是局限于對系統可靠性作一般的分析，而且可以分析系統的各種失效狀態。不僅可分析某些元部件失效對系統的影響，還可以對導致這些元部件失效的特殊原因進行分析。

總 結：

我國工程建設在高溫、高壓和高負荷的惡劣環境中發展已成為現代建筑業的重要標志。而工程材料與結構的失效常常會造成嚴重的損失和人員傷亡，通過失效分析可以起到預防失效的作用，對保障經濟建設具有重要意義。

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