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

中車齊齊哈爾車輛有限公司

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。基于此本文分析了檢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。可以采用與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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