干貨丨帶你詳解金屬材料的發(fā)展歷程、性能及其失效分析
2018-04-19 瀏覽量：2810
材料是物質(zhì)，是我們?nèi)粘Ｉ钪?，不可缺少的基本元素，無(wú)論是生產(chǎn)或生活，都與我們息息相關(guān)。
人類社會(huì)的發(fā)展歷程,是以材料為主要標(biāo)志的。歷史上,材料被視為人類社會(huì)進(jìn)化的里程碑。歷史學(xué)家也把材料及其器具作為劃分時(shí)代的標(biāo)志:如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、高分子材料時(shí)代……
金屬材料的發(fā)展歷程
考古發(fā)掘證明我國(guó)在八千多年前已經(jīng)制成實(shí)用的陶器,在六千多年前已經(jīng)冶煉出黃銅,在四千多年前已有簡(jiǎn)單的青銅工具,在三千多年前已用隕鐵制造兵器。歷史證明，我們的祖先在二千五百多年前的春秋時(shí)期已會(huì)冶煉生鐵,比歐洲要早一千八百多年以上。
18世紀(jì),鋼鐵工業(yè)的發(fā)展,成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。
19世紀(jì)中葉,現(xiàn)代平爐和轉(zhuǎn)爐鎳管煉鋼技術(shù)的出現(xiàn),使人類真正進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。與此同時(shí),銅、鉛、鋅也大量得到應(yīng)用,鋁、鎂、鈦等金屬相繼問(wèn)世并得到應(yīng)用。
直到20世紀(jì)中葉,金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導(dǎo)地位。
材料的分類
對(duì)材料的認(rèn)識(shí)和利用的能力,決定著社會(huì)的形態(tài)和人類生活的質(zhì)量。現(xiàn)今，人們按化學(xué)成分的不同將材料劃分為金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料三大類以及他們的復(fù)合材料。在機(jī)械、工程等工業(yè)領(lǐng)域中，采用的材料種類及品種繁多、涉及范圍極其廣泛。其分類如下：
金屬材料性能
為更合理使用金屬材料，充分發(fā)揮其作用，掌握各種金屬材料制成的零、構(gòu)件在正常工作情況下應(yīng)具備的性能（使用性能）及其在冷熱加工過(guò)程中材料應(yīng)具備的性能（工藝性能）就顯得尤為重要。
材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學(xué)性能（耐用腐蝕性、抗氧化性）、力學(xué)性能（機(jī)械性能）；材料的工藝性能指材料適應(yīng)冷、熱加工方法的能力。
1）機(jī)械性能（力學(xué)性能），機(jī)械性能是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。
強(qiáng)度：材料在外力（載荷）作用下，抵抗變形和斷裂的能力。
屈服點(diǎn)（бs）：稱屈服強(qiáng)度，指材料在拉抻過(guò)程中，材料所受應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，載荷不再增加變形卻繼續(xù)增加或產(chǎn)生0.2%L。時(shí)應(yīng)力值，單位用牛頓/毫米2（N/mm2）表示。
抗拉強(qiáng)度（бb）也叫強(qiáng)度極限指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。單位用牛頓/毫米2（N/mm2）表示。
延伸率（δ）：材料在拉伸斷裂后，總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。斷面收縮率（Ψ）材料在拉伸斷裂后、斷面最大縮小面積與原斷面積百分比。
硬度：指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力，常用硬度按其范圍測(cè)定分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度（HKA、HKB、HRC）
沖擊韌性（Ak）：材料抵抗沖擊載荷的能力，單位為焦耳/厘米2（J/cm2）.
2）化學(xué)性能，指金屬材料與周圍介質(zhì)掃觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。
耐腐蝕性：指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。
抗氧化性：指金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮能力。
3）工藝性能，指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。
鑄造性能：指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，主要包括流性能、充滿鑄模能力；收縮性、鑄件凝固時(shí)體積收縮的能力；偏析指化學(xué)成分不均性。
焊接性能：指金屬材料通過(guò)加熱或加熱和加壓焊接方法，把兩個(gè)或兩個(gè)以上金屬材料焊接到一起，接口處能滿足使用目的的特性。
頂氣段性能：指金屬材料能承授予頂鍛而不破裂的性能。
冷彎性能：指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。彎曲程度一般用彎曲角度α（外角）或彎心直徑d對(duì)材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，則材料的冷彎性愈好。
沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進(jìn)行沖壓叫冷沖壓。檢驗(yàn)方法用杯突試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。
鍛造性能：金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。
傳統(tǒng)單一材料往往不能全面滿足強(qiáng)度、韌性、重量和穩(wěn)定性等方面的要求，為了使各種材料之間的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，獲得性能更加優(yōu)越的材料，人們研制出各種新型復(fù)合材料。就是由兩種或兩種以上不同材料的組合材料，它的性能通常兼
有組成材料的各種優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣闊的發(fā)展前景。
金屬材料的未來(lái)發(fā)展
中國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的努力，鋼鐵工業(yè)已同過(guò)去的僅能生產(chǎn)100多個(gè)鋼種、400多個(gè)品種的鋼材發(fā)展到現(xiàn)在能生產(chǎn)1000多個(gè)鋼種、4萬(wàn)多個(gè)品種的鋼材，特別是國(guó)防工業(yè)和高精尖技術(shù)，包括原子彈、氫彈、導(dǎo)彈、核潛艇、通訊衛(wèi)星、火箭等需要的關(guān)鍵金屬材料。
未來(lái)，金屬材料仍將在工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要位置。鋼鐵行業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，不論是在工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中還是在現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位都是無(wú)可取代的。因此，企業(yè)要抓住時(shí)機(jī)改造升級(jí)，提升技術(shù)工藝，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
美信檢測(cè)作為一家具有CNAS與CMA認(rèn)可資質(zhì)的商業(yè)實(shí)驗(yàn)室，專注于為客戶提供金屬材料及零部件失效分析的專業(yè)技術(shù)服務(wù)。通過(guò)失效分析，幫助客戶找出產(chǎn)品的失效原因，提出有效改進(jìn)措施以防止類似失效事故的重復(fù)發(fā)生，從而保證工程的安全運(yùn)行。
常見(jiàn)失效模式
斷裂： 韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、液態(tài)金屬脆化、氫脆
腐蝕： 化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕
磨損： 磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損、變形磨損
其他： 功能性失效、物理性能降級(jí)等等
金屬失效分析的意義
1. 減少和預(yù)防產(chǎn)品同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
2. 為裁決事故責(zé)任，制定產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等提供可靠的科學(xué)技術(shù)依據(jù)。
失效分析常用手段
（1）斷口分析：分析斷裂源、斷口特征形貌，并分析這些特征與失效過(guò)程的相互關(guān)系。
（2）金相組織分析：評(píng)估組織級(jí)別、工藝匹配程度、缺陷等級(jí)等等。
（3）成分分析： SEM/EDS；ICP-OES；XRF；火花直讀光譜。
（4）痕跡分析：分析失效件與成型、使用、環(huán)境交互影響留下的細(xì)微痕跡。
（5）熱學(xué)分析：評(píng)判材料在熱環(huán)境使用的合理性。
（6）機(jī)械性能分析：評(píng)估力學(xué)強(qiáng)度、硬度、熱性能等指標(biāo)是否符合使用要求。
（7）微區(qū)分析：分析表面形貌及微區(qū)成分，為失效機(jī)理推斷提供定性定量依據(jù)。
（8）極表面分析：對(duì)極表面腐蝕產(chǎn)物、微量異物進(jìn)行定性定量分析。
（9）現(xiàn)場(chǎng)工藝及使用環(huán)境的考察驗(yàn)證。
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