結構的破壞形式在我這裡主要分為：結構破壞、疲勞破壞和損傷容限破壞。結構破壞指：
由於結構某些元件的斷裂、屈服、失穩、過度變形和異常畸形兒導致的結構喪失承受規定載荷能力的現象。疲勞破壞指：由於迴圈載入兒殷切的巨集觀裂紋，巨集觀裂紋的最小尺寸可根據現有的無損檢測能力做出規定。
損傷容縣破壞指：飛機結構在規定的未修理的使用期間內，抵抗由於缺陷、裂紋或其他蘇娜很難過的存在所引起的破壞的能力。
在我看來總體來說，可將結構的破壞分為未斷裂的和斷裂情況。未斷裂的情況包括結構的屈服、失穩、過度變形和異常畸形兒等，在試驗中可以很直觀的察覺，必要的情況也可以借用燈光來檢查。這裡只著重介紹斷裂的情況，斷裂的情況有結構的未完全斷裂和完全斷裂，未完全斷裂的情況在我認為只有破壞痕跡的情況，因為痕跡是導視疲勞破壞的常見因素，痕跡分析是失效分析中常用的一種分析方法和技術。
1 痕跡及痕跡分析概念
痕跡分析是失效分析中常用的一種分析方法和技術。通過痕跡分析,不僅可對結構失效的發生、發展做出判斷,而且可為事故和失效鑑定分析提供可靠的佐證和依據。
廣義地說,痕跡是指環境作用於系統,在系統表面留下的標記。在機械失效中,系統指的是失效的構件或零件,而環境則是指外來的力學、化學、熱學、電學等因素。因此,對機械失效,痕跡可定義為力學、化學、熱學、電學等環境因素單獨地或協同作用於機械,並在其表面或表面層留下的損傷性標記。
在失效分析範疇,痕跡的具體含義是指:痕跡的形貌(或稱花樣);痕跡區、汙染物及反應產物的化學成分；痕跡顏色的種類、色度、分布和反光等；痕跡區材料的組織和結構；痕跡區的表面效能；痕跡區的殘餘應力分布；從痕跡區散發出來的各種氣味；痕跡區的電荷分布和磁性等。痕跡分析即是對失效件的上述特徵的變化進行鑑別，並找出其變化原因，為失效分析提供線索和依據的技術活動。
1.2 痕跡分析程式
在一般情況下,痕跡分析應按如下程式進行。
(1)發現和顯現痕跡這是痕跡分析的前提和基礎。應以現場為起點,先收集能反應整體破壞順序的痕跡,後收集具體零部件外部的痕跡,再收集零部件之間的痕跡,最後蒐集汙染物和分離物。
(2)提取、固定、顯現、清洗、記錄和儲存痕跡方法有影印、製模法、靜電法和ac 紙粘附法等。痕跡的記錄可以用文字、示意圖和**。
(3)鑑定痕跡對具體的痕跡特徵進行針對性檢驗,從而確定痕跡的性質、產生的時間和條件。鑑定時,應按由表及裡、由簡而繁、先巨集觀後微觀、先定性後定量,按形貌2 組織結構2 效能的順序進行。
(4)模擬再現痕跡必要時可在產品上進行,拆檢同型號的、已使用過的產品的相應痕跡加以對比是一種更真實的「試驗」。
(5)綜合分析痕跡分析需綜合考慮形成痕跡的過程、條件和影響因素,痕跡的可變性及與零件工作、失效的關係等,以確定痕跡的性質和原因。
1.3 痕跡的發現和顯現技術
痕跡的發現和顯現就是將隱藏的、不明顯的痕跡特徵揭示出來,以確定痕跡的分布及其規律,為進一步的痕跡性質鑑定提供目標。痕跡是一種表面特徵,尋找痕跡應在零部件的表面進行,並根據地點、機件等不同採取相應的方法。對大的機件,如飛機、汽車等,應著重從零部件的表面顏色變化、表面結構輪廓變化、形貌變化等肉眼易見的特徵上來發現痕跡;當零部件較小時,在實驗室借助一定的儀器裝置來進行的同時,應在以上檢查的基礎上,重點從粗糙度變化、細小附著物、擦痕、劃痕、材料成分和組織等方面來發現痕跡。
1.5 痕跡的鑑定
1.5.1 痕跡的形貌鑑定
痕跡的形貌鑑定是痕跡分析的關鍵。應首先通過肉眼觀察確定痕跡的整體分布特徵與規律,然後以有代表性的區域性痕跡來重點分析痕跡的性質。
(1)痕跡的形成要素和分類一般來說,形成痕跡包含三個基本要素:①造痕物,即痕跡的製造者,是直接接觸並作用於機械表面的物體或介質。②留痕物,即造痕物作用的物件,一般指機械表面。
造痕物與留痕物是相對的,有時在兩個匹配的接觸面都會留下痕跡。③造痕物和留痕物發生相互接觸或非正常作用。圖1 示出了痕跡的形成原理。
當造痕物與留痕物發生相互接觸或作用,痕跡就會形成。對機械痕跡,造痕物與留痕物之間的這種作用就是力, 而且一般為壓應力。根據痕跡形成的機理和條件的不同,可將機械失效中的痕跡分為機械接觸痕跡、腐蝕痕跡、電侵蝕痕跡、汙染痕跡、分離物痕跡、熱損傷痕跡和加工痕跡等七類。
圖1 痕跡的形成
(2)機械接觸痕跡由於機械力的作用而在接觸部位留下的痕跡稱為機械接觸痕跡,簡稱機械痕跡。依據接觸方式和相對機械運動方式的不同,機械痕跡又可分成如下五種。①壓入性機械痕跡簡稱壓痕,是造痕物壓入留痕物,在接觸面留下的痕跡。
典型形貌是壓坑、壓傷、壓陷和壓痕,如壓入法測量金屬硬度時在金屬表面留下的各種規則的印痕,在零件表面敲上的鋼印編號、標記等。壓痕一般具有如下特徵:形貌規則,邊界清晰,與造痕物接觸部位的形狀吻合;在垂直表面的方向上變形最大;面積大小和深度與作用在壓頭上的法向載荷成正比、與壓頭的接觸面積成反比;保載時間越長,壓痕越大;不會產生磨粒,很少有材料粘著和轉移;材料不同,壓痕也不相同。
圖2 是導致飛機座艙拋蓋活門薄膜破裂的壓痕形貌,其形狀規則,底部減薄最大、邊緣隆起、邊緣至底部均勻過渡,為典型的容積形壓坑。
圖2 飛機座艙拋蓋活門薄膜表面壓痕
通過壓痕分析,一般可確定發生事故(或故障)時機件之間相對工作位置、儀表指示位置、是否存在外來物,以及失效件解體順序等失效資訊。
②撞擊性機械痕跡撞擊性機械痕跡的機械力作用時間很短,變形速度大,接觸面之間以垂直接觸面方向的相對運動為主。如飛機墜毀時的接地痕跡等。撞擊性機械痕跡可分為外物打傷痕跡、多次撞擊表面疲勞痕跡和沖蝕損傷痕跡三種。
③滑動性機械痕跡又稱摩擦痕跡,是在摩擦過程中形成的痕跡,如機械表面的各種劃痕、磨痕、刮痕等,是機械表面最常見的機械痕跡。根據其形成機理和特徵,可分為犁痕(即劃痕)、粘著痕跡、摩擦疲勞痕跡和摩擦腐蝕痕跡等四類。犁痕是其中最常見的一種,也是整個機械痕跡中較常見的一種痕跡,準確判斷其形成的條件、方向和機理對診斷整個事故或失效的形成過程和原因具有重要的意義。
一般需從犁痕的起始、末端、溝邊和溝底四個部位的巨集觀、微觀特徵來對犁痕進行鑑別,其中特別要注意細微形貌和材料轉移特徵。犁痕的方向,一般可根據以下特點來鑑別: (a)直接犁入的犁痕,起點處不但沒有材料堆積,而且往往出現凹陷,如圖3 左邊所示。
圖3 犁痕方向的判斷
(b)如果先形成壓印痕,再發展成劃痕,則起點處會留下壓印痕的特徵。
(c)一次性的劃痕,結尾往往帶有突然性,在犁痕的末端有比較明顯的材料堆積,如圖4 所示。
圖4 犁痕末端材料堆積
(d)當劃痕途經表面凹凸處時,會在凸起前緣形成材料碎渣的堆積,如圖5 所示。
(e)一般金屬材料向犁溝外側的兩邊翻起,翻起的金屬毛刺的傾斜方向為表面犁溝的形成方向。圖3 中犁痕的方向為從左向右,兩側的金屬毛刺呈約30°的方向向右傾斜,指示了犁痕的形成方向。
圖5 材料碎渣在表面凸起處堆積
(f)撞擊型的犁痕,由於造痕物對留痕物的作用力逐漸減小,因此,劃痕寬度會由粗變細,深度會由深變淺,材料轉移會由多變少;犁痕的巨集觀形狀呈收斂形,收斂的方向就是犁痕的形成方向。
④滾動性機械痕跡工程上所說的滾動性機械痕跡,實際上都是滾壓或滾滑性機械痕跡,簡稱為滾動痕跡。如各種輪胎滾壓痕跡和履帶滾壓痕跡,滾動接觸疲勞痕跡等。⑤微動性機械痕跡微動就是名義上相對靜止的兩個固體,其相互接觸的表面在法向壓力作用下互相擠壓並產生往復的相對滑動。
相對滑動幅度在5～400μm。微動性損傷有微動疲勞、微動磨損和微動腐蝕等。
(3)腐蝕痕跡金屬腐蝕是指金屬與周圍介質發生化學或電化學作用,導致金屬損傷的各種轉變過程。金屬腐蝕必有腐蝕產物出現。腐蝕經常與其它失效形式協同作用,產生更為嚴重的復合失效形式,如腐蝕磨損、腐蝕疲勞、熱腐蝕和應力腐蝕等。
零件是否發生了腐蝕,可以從表面顏色、形貌、表面層化學成分、物資結構等是否有變化和導電、導熱、表面電阻等表面效能的變化等方面來鑑別。如鋼和鑄鐵,腐蝕開始時金屬表面顏色發暗,腐蝕輕時呈暗灰色,進一步發展會變為褐色或棕黃色,嚴重腐蝕呈棕色或褐色疤痕甚至鏽坑。
(4)汙染痕跡各種汙染物附著在表面而留下的痕跡成為汙染痕跡。汙染痕跡分析的內容很多、範圍很廣,除常規的各種理化檢驗方法外,主要還有氣氛分析、油液分析、腐蝕產物分析和磨粒分析。
(5)分離物痕跡分離物主要是指接觸面在物理、化學作用下從接觸面上脫落下來的顆粒。最常見的分離物有磨屑、腐蝕產物、毛刺、剝落的塗層、鍍層、燒熔濺痕等。分離物痕跡分析主要是指分離物本身的形貌、成分、結構、顏色和磁性等方面的分析。
(6)熱損傷痕跡在熱能作用下,接觸部位發生區域性不均勻的溫度變化而在表層留下的痕跡稱為熱損傷痕跡。表面層區域性過熱、過燒、熔化、燒穿,漆層及非金屬表面燒焦都會留下熱損傷痕跡。熱損傷痕跡一般可從顏色的變化,表面層成分、結構的變化,顯微組織的變化, 表面效能的改變,形貌特徵等五方面進行分析。
如不鏽鋼,在430～480℃開始變色,隨溫度上公升,顏色從黃褐色變為淡藍色、藍色和黑色。
(7)電損傷痕跡包括電侵蝕(電腐蝕)和靜電損傷兩大類。①電侵蝕,其痕跡主要有電蝕坑、金屬熔球、金屬轉移等。電侵蝕的主要危害是使電路工作不穩定、電路元件燒毀、引**災。
如,一飛機的左操作台**,原因是開關內部電弧引起。②靜電放電痕跡,由於靜電放電現象而在放電部位留下的痕跡稱為靜電放電痕跡。其主要巨集觀特徵是放電過程中形成的碳及碳化物,使放電部位的表面顏色發黃、發灰或發黑。
區域性的高溫熔融,使放電部位表面顏色變成深藍。放電過程中,放電體上會形成類似於火山口狀的「火花放電微坑」。
(8)與裂紋源有關的痕跡與裂紋源有關的痕跡很多,概括起來主要有冶金夾渣、擠壓裂口、加工痕跡、電筆烙印、釺焊沿晶氧化微裂紋、焊接冷裂紋等6 種。
1.5.2 痕跡的成分鑑定
痕跡的成分鑑定是對留痕物上的表面附著物、金屬粘結物的元素種類和含量進行分析,以確定造痕物的種類。常用的分析儀器為通過各種發射譜進行表面成分分析的各種表面分析譜儀。
1.5.3 痕跡的組織結構鑑定
痕跡的組織結構鑑定一般採用表面微區晶體結構分析技術。目前,適用於厚塊試樣表面結構分析的有低能電子衍射技術、反射式高能電子衍射技術、反射電子衍射技術、電子通道花樣技術、電子背散射花樣技術、x 射線柯塞爾花樣技術等。
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