淺析鋁合金失效機(jī)理

郭 琳

（國(guó)家康復(fù)輔具研究中心，北京 100176）

一般而言影響事物狀態(tài)的條件統(tǒng)稱為應(yīng)力，而影響應(yīng)力作用的因素材料有幾個(gè)方面的因素：一是幾何尺寸的大?。欢遣牧系臉?gòu)成和損傷的特性；三是材料的制造參數(shù)；四是材料所在的應(yīng)用環(huán)境。其實(shí)術(shù)語(yǔ)應(yīng)力的涵蓋內(nèi)容非常廣泛，而術(shù)語(yǔ)環(huán)境則是各種應(yīng)力的綜合作用，它所涵蓋的內(nèi)容也同樣廣泛。

一、對(duì)失效機(jī)理的概念定義

我們?cè)谝话闱闆r下材料的失效是指一種非此即彼的概念，這樣材料要么是好的要么是壞的。但是在事實(shí)上，由于失效是一個(gè)過(guò)程，同時(shí)具體施教情況也在不斷變化，這里大多數(shù)的失效都會(huì)更加復(fù)雜。事實(shí)上，失效一般是指在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的應(yīng)力在材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上或者兩個(gè)組件之間產(chǎn)生的相互作用相互影響所導(dǎo)致的結(jié)果。而這種相互影響又因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的各種變量所具有的隨機(jī)性而難以確定。這就要求我們對(duì)失效機(jī)理有一個(gè)客觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)材料的失效情況進(jìn)行充分的了解，對(duì)材料各個(gè)方面可能出現(xiàn)失效情況的一一分析并加以預(yù)防。

1 失效的第一個(gè)概念模型定義：應(yīng)力-強(qiáng)度。

一個(gè)完好的事物有著其完好的應(yīng)力，當(dāng)事物所具有的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)強(qiáng)度的情況下，是怎樣都不會(huì)對(duì)物體造成永久性的影響。只有當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了其強(qiáng)度時(shí)，物體才會(huì)發(fā)生失效狀況。而這種失衡狀況的發(fā)生很大原因取決于在環(huán)境中關(guān)鍵事件的發(fā)生，不是指時(shí)間或循環(huán)歷程。所指的強(qiáng)度一般被認(rèn)為是隨機(jī)變量。

2 失效的第二個(gè)概念模型定義：損傷-韌性

一般而言，應(yīng)力通?？梢栽斐刹豢苫謴?fù)的累計(jì)損傷，而累計(jì)損傷通常不會(huì)使產(chǎn)品的使用性能下降?？墒钱?dāng)損傷超過(guò)了韌性時(shí)，也就是說(shuō)當(dāng)損傷累積到物體的韌性極限時(shí)，物體就會(huì)失效了。就算應(yīng)力消除了，累積損傷也不會(huì)隨其消失，韌性也被普遍認(rèn)為是隨機(jī)變量。

3 失效的第三個(gè)概念模型定義：激勵(lì)-響應(yīng)

很多時(shí)候系統(tǒng)沒(méi)有在使用的情況下，這樣我們就很難發(fā)現(xiàn)它是否是壞了，只有在使用的時(shí)候才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，而其中壞了的一個(gè)組件可能就會(huì)出現(xiàn)全體系統(tǒng)失效的狀況。這種失效模式經(jīng)常會(huì)被當(dāng)前所處的環(huán)境中所發(fā)生的關(guān)鍵事件具體發(fā)生時(shí)間來(lái)決定。不過(guò)在實(shí)際情況中，這種失效情況一般不會(huì)經(jīng)常發(fā)生，所以具體原因在判斷和總結(jié)時(shí)也是多種多樣的，但總的來(lái)說(shuō)都是因?yàn)榧?lì)不當(dāng)而造成的。

二、關(guān)于鋁合金失效的機(jī)理

1 失效機(jī)理第一點(diǎn)：屈服

當(dāng)物件發(fā)生過(guò)大的彈性變形時(shí)，就會(huì)發(fā)生失效，如果一個(gè)組件當(dāng)前受到的應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)其所具有的屈服強(qiáng)度，那么材料將會(huì)發(fā)生永久形變，無(wú)法進(jìn)行塑形恢復(fù)。當(dāng)然在各種情況下具體的變化也不盡相同，有時(shí)這種形變也不會(huì)再出現(xiàn)失效情況。具體分析這種失效情況，需要對(duì)材料的有限變形彈性力學(xué)做進(jìn)一步的探討。這種現(xiàn)象普遍發(fā)生在金屬組件上。需要注意的問(wèn)題是這一種類型失效可能對(duì)高精度結(jié)果造成問(wèn)題。鋁合金實(shí)際上沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，所以通常以發(fā)生微量的塑性變形（0.2%）時(shí)的應(yīng)力作為該材料的屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服強(qiáng)度。又因?yàn)殇X合金韌性可塑性較低，一旦施加過(guò)大的應(yīng)力就會(huì)使得鋁合金出現(xiàn)失效情況。

2 失效機(jī)理第二點(diǎn)：翹曲

在材料中，翹曲的出現(xiàn)主要是由于材料的結(jié)構(gòu)相對(duì)較細(xì)較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致材料在面對(duì)應(yīng)力時(shí)候長(zhǎng)期存在的彈性穩(wěn)定性受到持續(xù)損傷。我們經(jīng)常提起的臨界翹曲應(yīng)力是指材料所具有的共性特性和材料當(dāng)前形狀參數(shù)所長(zhǎng)的比例。翹曲大意是指沿著不穩(wěn)定的路徑交接與初始變形模式發(fā)生的形變。

在鋁合金的失效情況中由翹曲造成其失效的主要是因?yàn)殇X合金的質(zhì)地本身均勻度不佳，或者在某些情況下鋁合金的內(nèi)部溫度不均勻，又或者是鋁合金具有較大彎曲或較強(qiáng)的不對(duì)稱幾何形狀。這就會(huì)形成翹曲從而導(dǎo)致鋁合金的失效現(xiàn)象發(fā)生。

3 失效機(jī)理第三點(diǎn)：疲勞斷裂

由于在各種特殊環(huán)境下的影響以及其他比較相似的因素對(duì)鋁合金的作用之下，鋁合金再出現(xiàn)金屬變形所導(dǎo)致的擠壓時(shí)候，其客觀的工作環(huán)境很不理想，而這也是讓鋁合金時(shí)效的不可忽視的原因。

分析鋁合金模具情況，我們可以發(fā)現(xiàn)熱疲勞斷裂所導(dǎo)致的鋁合金失效極為常見(jiàn)。一旦發(fā)生擠壓，鋁合金外層的溫度就會(huì)比內(nèi)部溫度高，鋁合金的外部就會(huì)因?yàn)閿U(kuò)張而出現(xiàn)應(yīng)力。外頭的溫度升高使得鋁合金的屈服強(qiáng)度變小，一旦屈服強(qiáng)度小于應(yīng)力時(shí)，鋁合金外層就會(huì)出現(xiàn)壓縮應(yīng)變。同理，外頭溫度下降而內(nèi)部溫度恒定，這就導(dǎo)致材料出現(xiàn)溫差而產(chǎn)生了新的應(yīng)力，而這種應(yīng)力持續(xù)增大直到超過(guò)材料的屈服度到時(shí)候，又會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)拉伸應(yīng)變。一旦模具的應(yīng)變能力超過(guò)了材料本身的應(yīng)變范圍，就會(huì)使材料出現(xiàn)疲勞裂紋。而這種裂紋將會(huì)隨著這種溫度變化的形式不斷擴(kuò)大，最終出現(xiàn)疲勞斷裂。而鋁合金模具的表面也會(huì)變得粗糙，或者出現(xiàn)尺寸的差距甚至模具部分?jǐn)嗔讯鴮?dǎo)致無(wú)法使用。

4 失效機(jī)理第四點(diǎn)累計(jì)損傷

在一些我們常見(jiàn)的醫(yī)療器械中，例如輪椅、拐杖、康復(fù)機(jī)器人等器械，由于價(jià)格昂貴且病人的使用時(shí)間相對(duì)集中而較短，所以更多的會(huì)出現(xiàn)在康復(fù)中心或醫(yī)院頻繁使用的情況。而這些醫(yī)療器械由于長(zhǎng)時(shí)間使用在關(guān)鍵部位經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于累積的疲勞而造成的鋁合金部件失效。例如在輪椅的使用中，一般分為凹口式剎車和肘節(jié)式剎車。凹口式剎車雖然費(fèi)力但較為安全，而肘節(jié)式剎車?yán)酶軛U原理，通過(guò)幾個(gè)鋁合金關(guān)節(jié)后制動(dòng)，局部作受到的累積性損傷較大，疲勞積累較強(qiáng)，所以失效較快。

總結(jié)

鋁合金失效機(jī)理一般是通過(guò)材料成分和材料的硬度來(lái)進(jìn)行分析，鋁合金的金屬結(jié)構(gòu)決定的失效的發(fā)生。在一般情況下，鋁合金時(shí)效主要取決于材料或結(jié)構(gòu)的缺陷、材料的制造和組裝過(guò)程中導(dǎo)致的損傷和儲(chǔ)存以及現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境等。通過(guò)對(duì)鋁合金失效的分析對(duì)于今后鋁合金的使用也會(huì)有指導(dǎo)作用。

[1]王仕達(dá).鋁合金擠壓模的失效原因分析及措施[M].“機(jī)械工業(yè)出版社”.

[2]鄭開(kāi)麟.鑄造鎂鋁合金疲勞與失效行為的實(shí)驗(yàn)研究[M].“西北工大出版社”.