工程材料與結(jié)構(gòu)的失效及失效分析

張成江 王美林

摘 要：在某些工程領(lǐng)域中，材料和結(jié)構(gòu)要接受惡劣條件的挑戰(zhàn)，所以材料和結(jié)構(gòu)的失效是難以避免的。本文對工程材料與結(jié)構(gòu)失效的原因進(jìn)行分析，并介紹當(dāng)前失效分析的技術(shù)，對未來失效分析的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：工程材料；工程結(jié)構(gòu)；失效；分析技術(shù)

各個(gè)工業(yè)部門使用的不同種類的材料和構(gòu)件在外力環(huán)境影響下，經(jīng)常被磨損和腐蝕，導(dǎo)致斷裂變形，最后失效。材料和構(gòu)件的失效給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失，還會(huì)對人們的生命安全造成威脅。失效分析有助于促進(jìn)新材料、新工藝的發(fā)展，為了培養(yǎng)這方面的人才，如今失效分析已成為一門新的學(xué)科，設(shè)計(jì)化學(xué)、機(jī)械和力學(xué)領(lǐng)域。

1.工程材料與結(jié)構(gòu)的失效

失效就是失去效力。工程中，零部件失去原有設(shè)計(jì)所規(guī)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(yán)重?fù)p傷或隱患，繼續(xù)使用會(huì)失去可靠性及安全性。機(jī)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(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列三種狀態(tài)之一時(shí)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(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能；受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠和安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)品或裝備拆下來進(jìn)行修理或更換。

失效的原因可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：（1）用法不當(dāng)，構(gòu)件在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行。這是失效的一個(gè)普遍原因。（2）組裝錯(cuò)誤及不恰當(dāng)?shù)木S護(hù)。組裝錯(cuò)誤包含這些因素，如少了一個(gè)螺栓或采用不正確的湘滑劑；設(shè)備維護(hù)的范圍從油漆表面到清理及潤滑，對此不重視會(huì)導(dǎo)致失效；有的失效是因?yàn)橄到y(tǒng)中其他一些零件工作不正常而引起的，這樣使此構(gòu)件處于非設(shè)計(jì)的條件下導(dǎo)致失效。（3）設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。這是失效的很普遍的一個(gè)原因?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)程序列出以下幾條：a.零件的尺寸與形狀，些通常決定于應(yīng)力分析或幾何約束；b.材料，這關(guān)系到化學(xué)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(guān)應(yīng)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(shù)

2.1痕跡分析技術(shù)

痕跡分析技術(shù)是比較常用的方法之一。痕跡分為機(jī)械損傷痕跡、腐蝕和污染痕跡、熱損傷痕跡。機(jī)械損傷痕跡又分為，壓入性機(jī)械損傷痕跡、撞擊性機(jī)械損傷痕跡、滑動(dòng)機(jī)械損傷痕跡和切入性機(jī)械損傷痕跡。實(shí)際中構(gòu)件的實(shí)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(fā)生、發(fā)展過程做出判斷，而且可為事故和失效分析結(jié)論提供可靠的佐證和依據(jù)。

2.2裂紋分析技術(shù)

裂紋是材料表面或內(nèi)部完整性或連續(xù)性被破壞的一種現(xiàn)象，是斷裂的前期，斷裂則是裂紋發(fā)展的結(jié)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(zhì)樸分析。色譜分析：是一種分離和分析方法，在分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。光譜分析：是根據(jù)物質(zhì)的光譜來鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成和相對含量的方法。熱分析：是指用熱力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系進(jìn)行分析的方法。質(zhì)譜分析：是指利用質(zhì)譜或質(zhì)譜聯(lián)用儀器對樣品進(jìn)行質(zhì)譜分析，以得到樣品不同的質(zhì)譜圖譜表征數(shù)據(jù)和理化性能，實(shí)現(xiàn)樣品的定性定量分析和數(shù)據(jù)表征，滿足各科研院所和企業(yè)對質(zhì)譜儀器分析的需求。

2.3斷口分析技術(shù)

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(shí)地記錄了裂紋由萌生、擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂全過程的各種與斷裂有關(guān)的信息。因此，斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學(xué)、斷裂化學(xué)和斷裂物理等諸多內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果，對斷口進(jìn)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(jù)，為斷裂失效原因的診斷提供線索。顯微組織和斷口表面結(jié)構(gòu)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(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)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(zhì)的相互作用，獲取樣品的物理和化學(xué)性質(zhì)信息。透射電子顯微鏡可以看到光學(xué)顯微鏡不能看清的細(xì)微結(jié)構(gòu)，分辨力可達(dá)0.2nm。

3.失效分析思路

失效分析思路是指導(dǎo)失效分析全過程的思維路線，是在思想中以機(jī)械失效的規(guī)律為理論依據(jù)，把通過調(diào)查、觀察和實(shí)驗(yàn)獲得的失效信息分別加以考察，然后有機(jī)結(jié)合起來作為一個(gè)統(tǒng)一整體綜合考察，以獲取的客觀事實(shí)為證據(jù)，全面應(yīng)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(gè)因素排除的思路

失效事件的原因包括操作人員、機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)、材料、制造工藝、環(huán)境和管理6個(gè)方面。如果失效已確定純屬機(jī)械問題，則以設(shè)備制造全過程為一系統(tǒng)進(jìn)行分析，即對機(jī)械所有的制作工序逐個(gè)進(jìn)行分析，逐個(gè)因素排除。加工缺陷、鑄造缺陷、焊接缺陷、熱處理不當(dāng)、再加工缺陷、裝配檢驗(yàn)中的問題、使用和維護(hù)不當(dāng)、環(huán)境損傷等11個(gè)方面，含有可能引起機(jī)械失效的121個(gè)主要因素。上述逐個(gè)因素排除的思路，面面俱到，不放過任何一個(gè)可疑點(diǎn)。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(dāng)找不到任何確切線索時(shí)，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(xué)的角度對失效零件進(jìn)行分析的方法。以失效抗力指標(biāo)為線索的失效分析思路，關(guān)鍵是在搞清楚零件服役條件的基礎(chǔ)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(biāo)，并進(jìn)一步研究這一主要失效抗力指標(biāo)與材料成分、組織和狀態(tài)的關(guān)系。通過材料工藝變革，提高這一主要的失效抗力指標(biāo)，最后進(jìn)行機(jī)械的臺(tái)架模擬試驗(yàn)或直接進(jìn)行使用考驗(yàn)，達(dá)到預(yù)防失效的目的。值得指出的是，在不同的服役條件下，要求構(gòu)件或材料具有不同的失效抗力指標(biāo)的實(shí)質(zhì)是要求其強(qiáng)度與塑性、韌性之間應(yīng)有合理的配合。因此，研究構(gòu)件或材料的強(qiáng)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(guān)系就是這一思路的核心。而進(jìn)一步研究失效抗力指標(biāo)與材料或零件的成分、組織、狀態(tài)之間的關(guān)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(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖即失效樹，從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能的組合方式或發(fā)生概率，以計(jì)算系統(tǒng)失效概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)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(tǒng)可靠性作一般的分析，而且可以分析系統(tǒng)的各種失效狀態(tài)。不僅可分析某些元部件失效對系統(tǒng)的影響，還可以對導(dǎo)致這些元部件失效的特殊原因進(jìn)行分析。

總 結(jié)：

我國工程建設(shè)在高溫、高壓和高負(fù)荷的惡劣環(huán)境中發(fā)展已成為現(xiàn)代建筑業(yè)的重要標(biāo)志。而工程材料與結(jié)構(gòu)的失效常常會(huì)造成嚴(yán)重的損失和人員傷亡，通過失效分析可以起到預(yù)防失效的作用，對保障經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉高航，劉光明.工程材料與結(jié)構(gòu)的失效及失效分析[J].失效分析與預(yù)防，2006（01）

[2]李曉東，李旭東，張賦.工程材料疊層結(jié)構(gòu)失效行為的跨尺度分析[J].甘肅科技，2011（12）

[3]楊斌，張利欣，金瑩，孫冬柏.工程材料失效檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（11）

[4]吳玉城，王飛.工程材料的失效形式分析[J].農(nóng)家科技，2011（S2）