新材料失效分析技术

由于金属材料在工业生产中占有举足轻重的地位，金属材料制备的零部件数量远多于其他材料。因此，对于金属材料零部件的失效分析是最成熟的。当前由于各类新材料的大量使用，一些新材料的失效问题也不断出现，构成新的研究方向。例如在航天航空领域，采用树脂基、金属基复合材料可以大幅度提高比强度、比刚度，在降低飞机结构质量系数方面起到举足轻重的作用，所以复合材料的失效分析越来越受到人们的重视。

对于这些新材料的失效分析，基本思路和基本分析方法与金属材料是一致的。但是由于新材料有自身的特殊性，在进行失效分析时必须引起注意。以下以金属基复合材料为例来进行说明。

20 世纪60 年代初，美国航天局研究者利用纤维对铜进行强化取得成功，并在航天及其他军事领域获得成功应用，引发了人们对金属基复合材料的研究兴趣。金属基复合材料提高性能的基本原理是：复合材料受力时，基体将外载荷通过界面传递给增强体（如纤维、晶须等），使增强体承受外力。由于增强体本身强度、弹性模量等远高于基体材料，所以能大幅度提高性能。从强化机理可以看到，金属基复合材料的界面问题是关键问题，因此在进行失效分析时，除采用常规分析思路与方法进行分析外，还必须要考虑界面的影响。举例说明如下：

【例1-12】　20 世纪80 年代，日本丰田公司采用Al2O3 短纤维增强汽车活塞材料（类似国产ZL109 铝合金）用于柴油机活塞第一环槽，取得了良好的效果。随后国内外一些机构便开展了对Al2O3短纤维增强Al 基复合材料的研究。采用Al2O3短纤维增强ZL109 铝合金与Al-5.5%Mg 合金制备成复合材料后，测定力学性能，获得完全不同的力学性能数据，见表1-10 和表1-11。

表1-10　Al2O3 短纤维增强Al-5.5%Mg 复合材料强度测定结果

表1-11　Al2O3 短纤维增强ZL109 复合材料强度测定结果(www.xing528.com)

可见纤维加入不同的铝合金中，起到的强化效果完全不同。对于Al-5.5%Mg 合金，纤维加入能起到强化效果，且随纤维的体积分数增加强化效果增强。但是对于ZL109 合金则完全相反，随着纤维体积分数的增加，强度不断下降（相当失效）。为了分析原因，可以采用常规方法分析断口、金相组织，但是最关键的是分析界面。图1-14 是Al2O3 短纤维增强ZL109 合金界面的透射电镜照片。

图1-14　Al2O3 短纤维增强ZL109 复合材料界面透射电镜照片

由图1-14 可见，在纤维与基体界面分布有大块状的化合物，通过电子衍射分析证明该化合物是 Mg2Si。当复合材料受到拉伸载荷时，在理想情况下应该是基体将载荷通过界面传给纤维，使纤维承受载荷。由于纤维本身强度远高于基体（纤维强度约为2 000 MPa），故提高了强度。

Al2O3 短纤维增强Al-5.5%Mg 复合材料就是这种情况。但是对于ZL109 合金，由于纤维与基体界面处化合物的存在，受外载荷时界面处产生应力集中，造成界面处纤维与基体分离，纤维不能承受载荷，反而造成界面处形成微裂纹，导致强度降低。又如定向凝固合金具有特定的微观组织结构的各向异性材料。定向凝固合金的主干、枝晶杆及枝晶间有不同的强度与韧性，在受力作用下，当合金的主杆、枝晶处于弹性变形范围时，枝晶间已经处于塑性变形甚至开裂[9]。