郭 琳

（國家康復輔具研究中心，北京 100176）

一般而言影響事物狀態(tài)的條件統(tǒng)稱為應力，而影響應力作用的因素材料有幾個方面的因素：一是幾何尺寸的大小；二是材料的構(gòu)成和損傷的特性；三是材料的制造參數(shù)；四是材料所在的應用環(huán)境。其實術(shù)語應力的涵蓋內(nèi)容非常廣泛，而術(shù)語環(huán)境則是各種應力的綜合作用，它所涵蓋的內(nèi)容也同樣廣泛。

一、對失效機理的概念定義

我們在一般情況下材料的失效是指一種非此即彼的概念，這樣材料要么是好的要么是壞的。但是在事實上，由于失效是一個過程，同時具體施教情況也在不斷變化，這里大多數(shù)的失效都會更加復雜。事實上，失效一般是指在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的應力在材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上或者兩個組件之間產(chǎn)生的相互作用相互影響所導致的結(jié)果。而這種相互影響又因為材料內(nèi)部的各種變量所具有的隨機性而難以確定。這就要求我們對失效機理有一個客觀的認識，對材料的失效情況進行充分的了解，對材料各個方面可能出現(xiàn)失效情況的一一分析并加以預防。

1 失效的第一個概念模型定義：應力-強度。

一個完好的事物有著其完好的應力，當事物所具有的應力沒有超過強度的情況下，是怎樣都不會對物體造成永久性的影響。只有當應力超過了其強度時，物體才會發(fā)生失效狀況。而這種失衡狀況的發(fā)生很大原因取決于在環(huán)境中關(guān)鍵事件的發(fā)生，不是指時間或循環(huán)歷程。所指的強度一般被認為是隨機變量。

2 失效的第二個概念模型定義：損傷-韌性

一般而言，應力通?？梢栽斐刹豢苫謴偷睦塾嫇p傷，而累計損傷通常不會使產(chǎn)品的使用性能下降?？墒钱敁p傷超過了韌性時，也就是說當損傷累積到物體的韌性極限時，物體就會失效了。就算應力消除了，累積損傷也不會隨其消失，韌性也被普遍認為是隨機變量。

3 失效的第三個概念模型定義：激勵-響應

很多時候系統(tǒng)沒有在使用的情況下，這樣我們就很難發(fā)現(xiàn)它是否是壞了，只有在使用的時候才會被發(fā)現(xiàn)，而其中壞了的一個組件可能就會出現(xiàn)全體系統(tǒng)失效的狀況。這種失效模式經(jīng)常會被當前所處的環(huán)境中所發(fā)生的關(guān)鍵事件具體發(fā)生時間來決定。不過在實際情況中，這種失效情況一般不會經(jīng)常發(fā)生，所以具體原因在判斷和總結(jié)時也是多種多樣的，但總的來說都是因為激勵不當而造成的。

二、關(guān)于鋁合金失效的機理

1 失效機理第一點：屈服

當物件發(fā)生過大的彈性變形時，就會發(fā)生失效，如果一個組件當前受到的應力已經(jīng)超過其所具有的屈服強度，那么材料將會發(fā)生永久形變，無法進行塑形恢復。當然在各種情況下具體的變化也不盡相同，有時這種形變也不會再出現(xiàn)失效情況。具體分析這種失效情況，需要對材料的有限變形彈性力學做進一步的探討。這種現(xiàn)象普遍發(fā)生在金屬組件上。需要注意的問題是這一種類型失效可能對高精度結(jié)果造成問題。鋁合金實際上沒有明顯的屈服現(xiàn)象，所以通常以發(fā)生微量的塑性變形（0.2%）時的應力作為該材料的屈服強度，稱為條件屈服強度。又因為鋁合金韌性可塑性較低，一旦施加過大的應力就會使得鋁合金出現(xiàn)失效情況。

2 失效機理第二點：翹曲

在材料中，翹曲的出現(xiàn)主要是由于材料的結(jié)構(gòu)相對較細較長，這就導致材料在面對應力時候長期存在的彈性穩(wěn)定性受到持續(xù)損傷。我們經(jīng)常提起的臨界翹曲應力是指材料所具有的共性特性和材料當前形狀參數(shù)所長的比例。翹曲大意是指沿著不穩(wěn)定的路徑交接與初始變形模式發(fā)生的形變。

在鋁合金的失效情況中由翹曲造成其失效的主要是因為鋁合金的質(zhì)地本身均勻度不佳，或者在某些情況下鋁合金的內(nèi)部溫度不均勻，又或者是鋁合金具有較大彎曲或較強的不對稱幾何形狀。這就會形成翹曲從而導致鋁合金的失效現(xiàn)象發(fā)生。

3 失效機理第三點：疲勞斷裂

由于在各種特殊環(huán)境下的影響以及其他比較相似的因素對鋁合金的作用之下，鋁合金再出現(xiàn)金屬變形所導致的擠壓時候，其客觀的工作環(huán)境很不理想，而這也是讓鋁合金時效的不可忽視的原因。

分析鋁合金模具情況，我們可以發(fā)現(xiàn)熱疲勞斷裂所導致的鋁合金失效極為常見。一旦發(fā)生擠壓，鋁合金外層的溫度就會比內(nèi)部溫度高，鋁合金的外部就會因為擴張而出現(xiàn)應力。外頭的溫度升高使得鋁合金的屈服強度變小，一旦屈服強度小于應力時，鋁合金外層就會出現(xiàn)壓縮應變。同理，外頭溫度下降而內(nèi)部溫度恒定，這就導致材料出現(xiàn)溫差而產(chǎn)生了新的應力，而這種應力持續(xù)增大直到超過材料的屈服度到時候，又會導致材料出現(xiàn)拉伸應變。一旦模具的應變能力超過了材料本身的應變范圍，就會使材料出現(xiàn)疲勞裂紋。而這種裂紋將會隨著這種溫度變化的形式不斷擴大，最終出現(xiàn)疲勞斷裂。而鋁合金模具的表面也會變得粗糙，或者出現(xiàn)尺寸的差距甚至模具部分斷裂而導致無法使用。

4 失效機理第四點累計損傷

在一些我們常見的醫(yī)療器械中，例如輪椅、拐杖、康復機器人等器械，由于價格昂貴且病人的使用時間相對集中而較短，所以更多的會出現(xiàn)在康復中心或醫(yī)院頻繁使用的情況。而這些醫(yī)療器械由于長時間使用在關(guān)鍵部位經(jīng)常會出現(xiàn)由于累積的疲勞而造成的鋁合金部件失效。例如在輪椅的使用中，一般分為凹口式剎車和肘節(jié)式剎車。凹口式剎車雖然費力但較為安全，而肘節(jié)式剎車利用杠桿原理，通過幾個鋁合金關(guān)節(jié)后制動，局部作受到的累積性損傷較大，疲勞積累較強，所以失效較快。

總結(jié)

鋁合金失效機理一般是通過材料成分和材料的硬度來進行分析，鋁合金的金屬結(jié)構(gòu)決定的失效的發(fā)生。在一般情況下，鋁合金時效主要取決于材料或結(jié)構(gòu)的缺陷、材料的制造和組裝過程中導致的損傷和儲存以及現(xiàn)場使用環(huán)境等。通過對鋁合金失效的分析對于今后鋁合金的使用也會有指導作用。

[1]王仕達.鋁合金擠壓模的失效原因分析及措施[M].“機械工業(yè)出版社”.

[2]鄭開麟.鑄造鎂鋁合金疲勞與失效行為的實驗研究[M].“西北工大出版社”.