材料失效分析讲义

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1、材料失效分析讲义失效分析是人们认识事物本质和发展规律的逆向思维和探索，是变失效为安 全的基本环节和关键，是人们深化对客观事物的认识源头和途径。 基本内容在失效分析中，通常首先将失效分类。从技术角度可按失效机制、失效零件 类型、引起失效的工艺环节等分类。从质量管理和可靠性工程角度可按产品使用 过程分类。失效率曲线通常称浴盆曲线，它描述了失效率与使用时间的关系。早 期失效率高的原因是产品中存在不合格的部件；晚期失效率高的原因是产品部件 经长期使用后进入失效期。机械产品中的磨合、电子元器件的老化筛选等就是根 据这种失效规律而制定的保证可靠性的措施。失效按其工程含义分为暂失效和永 久失效、突然失效和渐

2、变失效，按经济观点分为正常损耗失效、本质缺陷失效、 误用失效和超负荷失效。产品的种类和状态繁多，失效的形式也千差万别。因此 对失效分析难以规定统一的模式。失效分析可分为整机失效分析和零部件残骸失 效分析，也可按产品发展阶段、失效场合、分析目的进行失效分析。失效分析的 工作程序通常分为明确要求，调查研究，分析失效机制和提出对策等阶段。失效 分析的核心是失效机制的分析和揭示。失效机制是导致零件、元器件和材料失效 的物理或化学过程。此过程的诱发因素有内部的和外部的。在研究失效机制时， 通常先从外部诱发因素和失效表现形式入手，进而再研究较隐蔽的内在因素。在 研究批量性失效规律时，常用数理统计方法，构成

3、表示失效机制、失效方式或失 效部位与失效频度、失效百分比或失效经济损失之间关系的排列图或帕雷托图， 以找出必须首先解决的主要失效机制、方位和部位。任一产品或系统的构成都是 有层次的，失效原因也具有层次性，如系统单机部件（组件）零件（元件） 材料。上一层次的失效原因即是下一层次的失效现象。越是低层次的失效现象， 就越是本质的失效原因。故障树分析法自 60 年代以来迅速发展的系统可靠性分析方法 ,这种方法用树状图对系统 进行演绎分析,从所定义的“不希望事件”开始,在给定的边界条件下,按系统失 效的规律，分析到系统的硬件故障、人为差错、环境影响等。通过故障树可以把 系统故障的有关因素联系起来进行分析

4、 ,便于找出系统的薄弱环节和故障谱,还 可定量地求出系统的失效概率及其他可靠性参量，为评估与改善系统可靠性提供 定量数据。故障树分析法广泛应用于系统可靠性评估、系统安全分析与事故分析、 系统设计改进、风险评价、系统故障诊断等方面。材料屈服点的含义及求取时常见问题的分析任何的材料在受到外力作用时都会产生变形。在受力的初始阶段，一般来说这种变形与 受到的外力基本成线性的比例关系，这时若外力消失，材料的变形也将消失，恢复原状，这 一阶段通常称为弹性阶段，物理学中的虎克定律，就是描述这一特性的基本定律。但当外力 增大到一定程度后，变形与受到的外力将不再成线性比例关系，这时当外力消失后，材料的 变形将不

5、能完全消失，外型尺寸将不能完全恢复到原状，这一阶段称为塑性变形阶段。一切的产品与设备都是由各种不同性能的材料构成，它们在使用中会受到各种各样的外 力作用，自然就会产生各种各样的变形，但这种变形必须被限制在弹性范围之内，否则产 品的形状将会发生永久变化，影响继续使用，设备的形状也将发生变化，轻则造成加工零部 件精度等级下降，重则造成零部件报废，产生重大的质量事故。那么如何确保变形是在弹性 范围内呢？从上面的分析已知材料的变形分为弹性变形与塑性变形两个阶段，只要找出这两 个阶段的转折点，工程设计人员就可确保产品与设备的可靠运行。由于材料种类繁多，性能差异很大，弹性阶段与塑性阶段的过渡情况很复杂，通

6、过对已 知材料的力学性能进行试验与理论分析，人们总结出了采用屈服点、非比例应力和残余应力 等指标作为材料弹性阶段与塑性阶段的转折点的指标来反应材料的过渡过程的性能，其中屈 服点与非比例应力是最常用的指标。虽然屈服点与非比例应力同是反应材料弹性阶段与塑性 阶段“转折点”的指标，但它们反应了不同过渡阶段特性的材料的特点，因此它们的定义不同， 求取方法不同，所需设备也不完全相同。因此笔者将分别对这两个指标进行分析。本文首先 分析屈服点的情况：从上面的描述，可以看出准确求取屈服点在材料力学性能试验中是非常重要的，在许多 的时候，它的重要性甚至大于材料的极限强度值（极限强度是所有材料力学性能必需求取的

7、指标之一），然而非常准确的求取它，在许多的时候又是一件不太容易的事。它受到许多因 素的制约，归纳起来有：? 夹具的影响；? 试验机测控环节的影响；? 结果处理软件的影响；? 试验人员理论水平的影响等。 这其中的每一种影响都包含了不同的方面。下面逐一进行分析一、夹具的影响：这类影响在试验中发生的机率较高，主要表现为试样夹持部分打滑或试验机某些力值传 递环节间存在较大的间隙等因素，它在旧机器上出现的概率较大。由于机器在使用一段时间 后，各相对运动部件间会产生磨损现象，使得摩擦系数明显降低，最直观的表现为夹块的鳞 状尖峰被磨平，摩擦力大幅度的减小。当试样受力逐渐增大达到最大静摩擦力时，试样就会 打滑

8、，从而产生虚假屈服现象。如果以前使用该试验机所作试验屈服值正常，而现在所作试 验屈服值明显偏低，且在某些较硬或者较脆的材料试验时现象尤为明显，则一般应首先考虑 是这一原因。这时需及时进行设备的大修，消除间隙，更换夹块。二、试验机测控环节的影响试验机测控环节是整个试验机的核心，随着技术的发展，目前这一环节基本上采用了各 种电子电路实现自动测控。由于自动测控知识的深奥，结构的复杂，原理的不透明，一旦在 产品的设计中考虑不周，就会对结果产生严重的影响，并且难以分析其原因。针对材料屈服 点的求取最主要的有下列几点：1、传感器放大器频带太窄 由于目前试验机上所采用的力值检测元件基本上为载荷传感器或压力传

9、感器，而这两类 传感器都为模拟小信号输出类型，在使用中必须进行信号放大。众所周知，在我们的环境中， 存在着各种各样的电磁干扰信号，这种干扰信号会通过许多不同的渠道偶合到测量信号中一 起被放大，结果使得有用信号被干扰信号淹没。为了从干扰信号中提取出有用信号，针对材 料试验机的特点，一般在放大器中设置有低通滤波器。合理的设置低通滤波器的截止频率， 将放大器的频带限制在一个适当的范围，就能使试验机的测量控制性能得到极大的提高。然 而在现实中，人们往往将数据的稳定显示看的非常重要，而忽略了数据的真实性，将滤波器 的截止频率设置的非常低。这样在充分滤掉干扰信号的同时，往往把有用信号也一起滤掉了。 在日常

10、生活中，我们常见的电子秤，数据很稳定，其原因之一就是它的频带很窄，干扰信号 基本不能通过。这样设计的原因是电子秤称量的是稳态信号，对称量的过渡过程是不关心的， 而材料试验机测量的是动态信号，它的频谱是非常宽的，若频带太窄，较高频率的信号就会 被衰减或滤除，从而引起失真。对于屈服表现为力值多次上下波动的情况，这种失真是不允 许的。就万能材料试验机而言，笔者认为这一频带最小也应大于10HZ,最好达到30HZ。 在实际中，有时放大器的频带虽然达到了这一范围，但人们往往忽略了 A/D转换器的频带 宽度，以至于造成了实际的频带宽度小于设置频宽。以众多的试验机数据采集系统选用的 AD7705、AD7703

11、、AD7701等为例。当A/D转换器以“最高输出数据速率4KHZ”运行时， 它的模拟输入处理电路达到最大的频带宽度10HZ。当以试验机最常用的100HZ的输出数据 速率工作时，其模拟输入处理电路的实际带宽只有0.25HZ，这会把很多的有用信号给丢失， 如屈服点的力值波动等。用这样的电路当然不能得到正确的试验结果。2、数据采集速率太低目前模拟信号的数据采集是通过A/D转换器来实现的。A/D转换器的种类很多，但在试 验机上采用最多的是一型A/D转换器。这类转换器使用灵活，转换速率可动态调整，既 可实现高速低精度的转换，又可实现低速高精度的转换。在试验机上由于对数据的采集速率 要求不是太高，一般达每

12、秒几十次到几百次就可满足需求，因而一般多采用较低的转换速率， 以实现较高的测量精度。但在某些厂家生产的试验机上，为了追求较高的采样分辨率，以及 极高的数据显示稳定性，而将采样速度降的很低，这是不可取的。因为当采样速度很低时， 对高速变化的信号就无法实时准确采集。例如金属材料性能试验中，当材料发生屈服而力值 上下波动时信号变化就是如此，以至于不能准确的求出上下屈服点，导致试验失败，结果丢 了西瓜，捡了芝麻。那么如何判断一个系统的频带宽窄以及采样速率的高低呢？ 严格来说这需要许多的专用测试仪器及专业人员来完成。但通过下面介绍的简单方法，可做 出一个定性的认识。当一个系统的采样分辨率达到几万分之一以

13、上，而显示数据依然没有波 动或显示数据具有明显的滞后感觉时，基本可以确定它的通频带很窄或采样速率很低。除非 特殊场合（如：校验试验机力值精度的高精度标定仪），否则在试验机上是不可使用的。3、控制方法使用不当针对材料发生屈服时应力与应变的关系（发生屈服时，应力不变或产生上下波动，而应 变则继续增大）国标推荐的控制模式为恒应变控制，而在屈服发生前的弹性阶段控制模式为 恒应力控制，这在绝大多数试验机及某次试验中是很难完成的。因为它要求在刚出现屈服现 象时改变控制模式，而试验的目的本身就是为了要求取屈服点，怎么可能以未知的结果作为 条件进行控制切换呢？所以在现实中，一般都是用同一种控制模式来完成整个的

14、试验的（即 使使用不同的控制模式也很难在上屈服点切换，一般会选择超前一点）。对于使用恒位移控 制（速度控制）的试验机，由于材料在弹性阶段的应力速率与应变速率成正比关系，只要选 择合适的试验速度，全程采用速度控制就可兼容两个阶段的控制特性要求。但对于只有力控 制一种模式的试验机，如果试验机的响应特别快（这是自动控制努力想要达到的目的），则 屈服发生的过程时间就会非常短，如果数据采集的速度不够高，则就会丢失屈服值（原因第 2 点已说明），优异的控制性能反而变成了产生误差的原因。所以在选择试验机及控制方法 时最好不要选择单一的载荷控制模式。三、结果处理软件的影响目前生产的试验机绝大部分都配备了不同类

15、型的计算机（如PC机，单片机等），以完 成标准或用户定义的各类数据测试。与过去广泛采用的图解法相比有了非常大的进步。然而 由于标准的滞后，原有的部分定义，就显得不够明确。如屈服点的定义，只有定性的解释， 而没有定量的说明，很不适应计算机自动处理的需求。这就造成了：1、判断条件的各自设定就屈服点而言（以金属拉伸GB/T 228-2002为例）标准是这样定义的：“4.9.2 屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加 的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。4.9.2.1 上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。4.9.2.2 下屈服强度：在屈服期间，不计初

16、始瞬时效应时的最低应力。” 这个定义在过去使用图解法时一般没有什么疑问，但在今天使用计算机处理数据时就产生了 问题。屈服强度的疑问：如何理解“塑性变形发生而力不增加（保持恒定） ”？由于各种干扰源 的存在，即使材料在屈服阶段真的力值保持绝对恒定（这是不可能的），计算机所采集的数据 也不会绝对保持恒定，这就需要给出一个允许的数据波动范围，由于国标未作定义 ，所以 各个试验机生产厂家只好自行定义。由于条件的不统一，所求结果自然也就有所差异。上下屈服强度的疑问：若材料出现上下屈服点，则必然出现力值的上下波动，但这个波 动的幅度是多少呢？国标未作解释，若取的太小，可能将干扰误求为上下屈服点，若取得太 大，则可能将部分上下屈服点丢失。目前为了解决这一难题，各厂家都想了许多的办法，如 按材料进行分类定义“误差带”及“波动幅度”，这可以解决大部分的使用问题。但对不常见的 材料及新材料的研究依然不能解决问题。为此部分厂家将“误差带”及“波动幅度”设计为用户