论金属材料的失效与典型工件的选材.pptx

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1、第五章金属材料的失效及典型工件的选材第一节、金属材料的失效一、失效机理与损伤模型1、概念失效主要来自于制造商对用户需求和期望的忽视和/或轻视、设计不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等。失效是一个复杂的概念，其有关的四个简化概念模型是：应力－强度，损伤－韧性，激励－响应，和容限－规格。特定的失效机理取决于材料或结构缺陷、制造或组装过程中导致的损伤、存储和现场使用环境等。影响事物状态的条件统称为应力（载荷）。例如机械应力与应变、电流与电压、温度、湿度

2、、化学环境和辐射等。影响应力作用的因素有材料的几何尺寸、构成和损伤特性,还有制造参数和应用环境。2、失效的概念模型应力－强度模型：当且仅当应力超过特定强度时，物体才会失效。一个未失效的物体就像新的一样。如果应力没有超过强度，应力无论如何都不会对物体造成永久性的影响。可用于这一模型的例子是：a.钢棒受拉应力；b.在晶体管发射极-集电极之间施加电压。损伤－韧性模型：应力可以造成不可恢复的累积损伤，如腐蚀、磨损、疲劳、介质击穿等。累积损伤不会使产品使用性能下降。当且仅当损伤超过韧性时，也就是损伤累积到物体的韧性极限时，物

3、体才会失效。当应力消除时，累积损伤不会消失。韧性经常被看作为随机变量。激励－响应模型：如果系统的一个组件坏了，只有当该组件被激励（需要）时才发生响应失效，并暴露它是坏了，并导致系统失效。大多数计算机程序（软件）失效都属于这种类型，电话交换系统也与这种失效模式类似。这种失效模式更多地取决于环境中的关键事件何时发生，而不是时间或循环历程。当这种失效模式的失效在系统中很少发生时，通常就很难判断到底是激励不当，或的确属于某种失效。容限－规格模型：该模型用于当且仅当容限在规格范围内时，系统的性能特征才能符合要求，也就是失效发

4、生时，系统名义上在工作，但工作状态不佳。这一模型的例子有复印机、测量仪器。任何存在性能质量渐进退化的部件或系统，都可以用该模型来表示。3、失效机理失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其它过程。该过程是应力作用在部件上造成损伤，最终导致系统失效。本质上，它是上面介绍的概念模型中的一个或多个模型导致的。失效机理一般被概括分为过应力机理和磨损机理。表1列出了可能发生失效的一般失效机理，表中包括了常见失效机理，如介电击穿、热载流子、慢俘获、表面电流扩散、电迁移等。（1）过应力失效机理大弹性变形：当发生过大的弹性变形时，

5、会发生失效，尤其是过应力作用在细长结构上。屈服：对一个组件施加的应力超过其屈服强度时，就会产生不可回复的塑性应变，即永久变形。翘曲：翘曲是由于细长结构在压应力作用下，突然丧失了弹性稳定性而导致的。脆性断裂：在脆性材料（也就是那些在断裂前表现出很少的屈服和非弹性的材料）中，局部微小的瑕疵可能造成尖锐的应力集中。对脆性材料施加过大的应力时，会在主要的微瑕疵处产生突然灾难性的裂纹扩展，从而导致失效。形变断裂：在机械工程中，对于高温应用的相对塑性材料，这种基于能量的方法是通用的，如在发动机力的燃烧室使用的材料，它在裂纹尖部

6、处的塑性变形和蠕变是不能被忽视的。界面粘附失效：界面粘附失效发生在两个相互粘附材料界面上。（2-1）磨损失效机理疲劳裂纹萌生：当对材料施加循环应力时，由于损伤的累积，材料失效发生时所承受应力远低于材料的最大拉伸强度。疲劳失效开始时，会萌生很小的、只能用显微镜才能观察到的微裂纹，其位置通常在材料的不连续点或材料的缺陷处，这些地方会导致局部应力或塑性应变集中，这种现象称作疲劳裂纹萌生。疲劳裂纹扩展：一旦裂纹开始萌生，在循环应力作用下，裂纹就会稳定地扩展，直到在所施加应力振幅作用下变得不稳定为止。扩散：扩散是指材料中的原

7、子、分子或离子迁徙到另一种材料体相中去的能力，它与时间相关。相互扩散：当两种不同的材料在一个界面上紧密接触时，通过扩散，一种材料的分子可以迁徙到另一种材料中，反之亦然。这种现象就叫相互扩散，它形成了界面粘附。磨损：磨损是在接触力作用下，两个相互接触的表面经历相对滑移运动而产生的材料侵蚀。（2-2）磨损失效机理腐蚀：腐蚀是材料化学或电化学降解的过程。蠕变：当环境温度较高，并有在机械应力作用下，有些材料如热塑性聚合体、焊料和许多金属都会发生随时间而变化的变形，这主要是由于位错上升机理和聚合物链再定位（自扩散），或者是由

8、于晶界滑移晶格间／晶格内的空位迁徙（晶格界面扩散）导致的。应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂是由于材料同时承受机械应力和腐蚀现象作用，而同时出现断裂和腐蚀两种机理相互影响的结果。它是由于在腐蚀发生的表面缺陷处存在应力集中（可量化为应力强度因子），当应力集中达到一临界值时，机械断裂就出现了。辐射损伤：辐射损伤可分为两种形式：a.机械失效机理；b.更为严重的电子损伤机理