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        檢測儀器在金屬結構件失效分析及預測預防中的應用

        2016-03-16 07:16:28李慶曉
        環(huán)球市場 2016年32期
        關鍵詞:結構件金屬材料磨損

        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(jù),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(jù)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(xiàn)應力集中的現(xiàn)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(jù)恰當?shù)臉藴手贫ê侠淼墓に?,未根?jù)材料的實際性能制定合理的工藝,未根據(jù)構件所使用的環(huán)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(huán)境、工況條件差(如受到交變及沖擊載荷、持續(xù)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(xù)載荷或應力作用下就很難避免失效或者損壞現(xiàn)象。根據(jù)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(chǎn)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(huán)境。

        2 、失效的原因

        2.1 斷裂失效

        根據(jù)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(yè)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(chǎn)生活過程中出現(xiàn)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(xiàn)不同的形貌,經(jīng)驗豐富的專家可以根據(jù)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(fā)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(jīng)濟損失。

        2.2 磨損失效

        影響金屬表面磨損的因素很多,如發(fā)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(huán)境條件(溫度、濕度、真空度、介質性質等)和工況條件(連續(xù)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(fā)生相對運動時,這些凸體就會相互摩擦導致接觸表面發(fā)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(fā)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(fā)射光譜,原子吸收光譜,原子熒光光譜。光譜分析既可以實現(xiàn)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(fā)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(fā)射光譜精度更高,多種元素的共存不會對原子吸收光譜產(chǎn)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(shù)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(jīng)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(chǎn)物分析??梢圆捎门c零件使用相似的環(huán)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(jù)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(jù)。其觀測儀器可以用放大鏡或顯微鏡。但多數(shù)情況下,為了便于觀察磨損痕跡的細節(jié),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(shù)。硬度的測量現(xiàn)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(jīng)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。

        [1]劉湘云,陳普會,馬維,王西昌.復合材料-金屬毛化接頭的失效預測模型[J].固體力學學報,2015,01:55-62.

        [2]賈承謐.金屬材料磨損失效及防護探討[J].中國包裝工業(yè),2015,06:141+143.

        [3]蘇維國,穆志韜,劉濤,馬曉樂.基于損傷力學的金屬材料韌性斷裂失效分析[J].宇航材料工藝,2014,02:24-28.

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