对金属构件失效模式诊断技术与方法的探讨-论文发表网__墨水学术,

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:176

副标题#e#
　　对金属构件失效模式诊断技术与方法的探讨
　　（常熟市产品质量监督检验所沈建明）
　　摘要:当今,科学技术是第一生产力,高科技的发展己成为国民经济和国防科技发展的主要关键和依托,而高科技的发展也依赖于高科技发展中的失效分析预测和预防,因此,高科技的发展更需要失效分析预测预防技术的进一步强化,并将失效分析预测预防列为高科技的发展领域之内。
　　关键词:机械；金属构件；失效原因；技术与方法
　　1机械金属构件失效诊断学
　　失效诊断是失效分析的主要任务之一。失效诊断的理论、技术和方法的核心是其思维学、推理法则和方法论，失效诊断依其目的要求和内容深度可分为3个层次的诊断:失效模式的诊断、失效原因的诊断和失效机理的诊断。
　　1.1失效模式诊断的进展
　　1.1.1失效模式的分类
　　失效模式是指失效的表现形式,一般可理解为失效的方式或类型。失效模式诊断是失效分析中首当其冲的重要问题,它对整个失效分析和预防决策来说,具有“定向”的作用。
　　失效模式常可分为一级失效模式、二级失效模式、甚至三级失效模式等。一级失效模式可分为断裂失效模式和非断裂失效模式二类，断裂失效模式又可分为韧性断裂失效、脆性断裂失效和疲劳断裂失效;非断裂失效模式又可分为腐蚀失效、磨损失效和变形失效。
　　在二级疲劳断裂模式的基础上,按频率高低可以有高频疲劳失效、低频疲劳失效和混频疲劳失效等三级疲劳断裂失效模式;按应力大小可以有高周疲劳失效、低周疲劳失效和高低周复合疲劳失效等二级疲劳断裂失效模式等。失效模式的诊断一般要求诊断到二级失效模式,甚至要求诊断到三级失效模式。一般情况下,二级、三级的失效模式的诊断比一级失效模式的诊断要难得多,但它们对失效原因的诊断以及失效机理的诊断是不可缺少的。
　　1.1.2失效模式的诊断依据
　　1)残骸分析
　　根据残骸的轨迹、断口的宏观性质、断口的变形顺序等首先寻找首先破坏件(肇事件),然后对首先破坏件的断口性质、裂纹走向、变形情况、痕迹来源、力学性能、显微组织、工艺过程、热处理状态等进行单项和综合的分析,对失效模式进行判断。
　　2)应力分析
　　包括应力的来源、性质和大小的估算,特别是对首先破坏件的结构和受力的分析和估算、工况和环境分析,并与断口的定性和定量分析相对照,以及与仍在服役件的调查相结合进行综合分析,对失效模式进行判断。
　　3)失效模拟
　　对主要的失效模式和主要的控制或影响参量在实验室或现场进行模拟试验,并对模拟失效的断口与实际肇事件断口进行对比分析,对其失效模式进行判断;磨损失效的二级模式一般可分为磨粒磨损失效、粘着磨损失效、疲劳磨损失效、腐蚀磨损失效和微动磨损失效5类。每类又可分为若干个三级磨损失效模式。磨损失效模式的诊断一般是依据:
　　①被磨损表面的形貌和亚表面层组织与性能的变化;
　　②磨屑形貌、磨屑成分组织结构的变化;
　　③磨损系统中各参量的关系和变化等。
　　1.1.3失效模式诊断技术和方法
　　失效模式的诊断可分为定性诊断和定量诊断。定性诊断是模式诊断的基础和前提,定量诊断则是模式诊断的深入和发展。定性诊断的技术和方法主要用于一级失效模式的诊断,而定量诊断技术和方法则主要用于二级或三级失效模式的诊断;定性诊断的技术和方法主要是依据失效残骸的分析,特别是肇事件的宏观断口分析的结果进行判断,而定量诊断的技术和方法则需要根据应力分析和失效模拟的结果进行判断。
　　只有根据失效事故的具体情况,合理地选用定性和定量的技术和方法,才能根据单一的和综合的判据,对失效的一级、二级甚至三级模式进行正确的、适时诊断。
　　失效模式诊断的难点在于对过渡的、多因素作用的、非典型的二级、三级失效模式的正确和适时的诊断。
　　在失效模式的诊断中,常依据自己的经#p#副标题#e#验或根据已有的断口、裂纹、金相图谱。但是已有的多种图谱,特别是断口图谱和案例集,多数是“特征诊断”式的,它们只能说明特定材料、特定状态,在特定环境(包括应力、温度、气氛)下断裂断口的特征形貌.到目前为止,还很少有图谱给出当条件系统变化时特征形貌的规律性变化的特征演化图谱。
　　这说明,当前断口分析技术和方法,虽然已经有一些定量分析的研究工作,如对金属疲劳断口的物理数学模型及定量反推分析做了一些有益的探索,但是在总体上还处在定性分析的阶段。
　　在失效模式诊断中的综合诊断技术和方法的应用,特别是应力分析和失效模拟技术和方法的综合应用,这对重要的失效事故分析和预防而言,有时却是十分必要的,特别是对失效结论有争议的情况下。当前已有越来越多的失效分析工作者在具体的失效分析案例研究中,重视应用综合诊断技术和方法的问题,但是,这方面的实践和研究还不够系统和深入。
　　对于失效模拟实验中的力学模型的设计、介质环境条件的模拟、参数的加速试验和数据的当量关系以及模拟断口和实际断口(或对腐蚀、磨损失效来说,模拟表面和实际表面)的对比分析技术和失效模拟实验的有效性和可靠性分析等方面的问题还有待针对不同类型的失效模式进行认真和深入的研究,才能真正发挥失效模拟技术和方法在失效模式诊断中的作用。
　　值得特别提出的是失效模式的概率诊断、模糊诊断和计算机人工智能诊断系统的研究和应用问题.由于影响或控制失效的各因素的不确定性,包括构件受力的不确定性、构件尺寸的随机分布、环境因素的不确定性、材料力学性能的不确定性、内部缺陷的随机分布等,因此,构件的失效也将由偶然性和必然性的协同作用所控制。必然性反映规律,而偶然性反映差异。基于诸多不确定因素的失效模式也具有不确定性,或随机性,而不是确定型的。
　　1.2失效原因诊断与内容
　　1.2.1失效原因诊断和内容
　　失效原因是指酿成失效事故的直接关键因素.失效原因也可分为一级失效原因、二级失效原因、甚至三级失效原因。一级失效原因,一般指酿成该失效事故(或事件)的首先失效件失效的直接关键因素处于投付使用过程中的哪个阶段或工序,可以分为设计原因、制造原因、使用原因、环境原因、老化原因等。
　　二级失效原因是指一级失效原因中的直接关键环节,如设计原因中又可分为设计原则、设计思路和方案、结构形状和受力计算、选材和力学性能等次级原因.失效原因的诊断是失效分析和预防的核心和关键,它不仅是失效预防的针对性和有效性的重要前提和基础,而且它常与酿成失效事件的责任部门和人员相联系。因此,对失效原因诊断应该特别强调其科学性和公正性。
　　1.2.2失效原因诊断的思路和方法
　　失效原因诊断的思路和方法有不同的分类方法:按诊断采用的方法可以分为理化诊断方法和系统工程诊断方法。理化诊断方法又可分为以失效件(肇事件)强度为主线的诊断方法、以失效件(肇事件)的生产工艺为主线的诊断方法、以失效件(肇事件)服役条件为主线的诊断方法和以失效件(肇事件)或设备类别为主线的诊断方法等。
　　一种新的尝试是失效模式和原因的特征判据的对比综合分析诊断法。系统工程诊断法一般有故障树分析法(FTA)、特征因素分析法、失效模式及后果分析法(FMEA或FMEACA)、时序树分析法(ETA)等。
　　按事故起因链关系,可以分为因果关系的诊断方法和非因果关系的诊断方法。因果关系诊断方法又可分为多米诺骨牌法、多重原因论和分支事件链法、轨迹交叉论法、扰动论法、意外释放能量论法等,非因果关系的事故起因链模型方法主要是管理失控的事故致因理论及其方法等。
　　从目前的情况来看,失效原因的理化诊断方法采用较多,而系统工程诊断方法采用较少;因果关系的逻辑推理诊断方法采用得多,而非因果关系的事故起因链模型方法采用得少。
　#p#副标题#e#　1.3失效机理诊断的内容
　　失效机理的诊断是指对失效的内在本质、必然性和规律性的研究,它是人们对失效性质认识的理论升华和提高。通常一个失效事故是外因和内因共同作用的结果.常把应力、温度、气氛介质等作为影响失效的外因;而把材料的成分、组织、缺陷、性能和它们的表现当作影响失效的内因。
　　失效的机理学就是内因和外因共同作用而最终导致失效事件发生的热力学、动力学和机构学,即失效内在的必然性和固有的规律性。拿生病来作比喻,失效模式相当于病症,失效原因是生病的原因,而失效机理则相当于病理。
　　一个失效事件,在失效机理尚未揭示的情况下就得出失效模式和原因的诊断结论意见,很可能是不牢靠的,或者是不科学的,并有可能造成误判。因此,失效机理的诊断或研究是十分重要的,而且,只有揭示失效的必然性和规律性,才能真正做到对同类失效事件的有效预防,做到“举一反三”和亡羊补牢。
　　1.3.1失效机理的分类
　　失效机理研究采用的方法可以分为定性的方法和定量的方法,定量的方法又可分为确定型方法和概率型(或模糊型)方法。失效机理研究所采用的模型按所属学科分为理化模型和物理数学模型,并可进一步细分为力学模型、物理模型、化学模型、材料学模型、数学模型以及它们联合作用的复合模型,具体的有:
　　界限模型与耐久模型、应力强度干涉模型、反应论模型、失效率模型、最弱环模型与串联模型、绳子模型与并联模型、比例效应模型、退化模型或损伤积累模型等,可以看出,失效机理的定量研究的内容和范围十分广泛和充实。
　　2结束语
　　机械失效分析学与材料摩擦学、腐蚀学、材料强度学、表面科学、电子断口学等学科密切相关。只有综合运用多学科的新知识,不断提高失效分析技术,才能发现新问题,认识新规律,发展新技术,提高机械产品的质量和水平。