金属材料损伤分析中的物理冶金分析技术

金属材料损伤分析中的物理冶金分析技术

王瑞营

天津忠旺铝业有限公司 天津 301701

摘要：在金属材料的损伤分析中，分析人员最广泛采用的分析技术即为物理冶金分析技术，该类分析技术可直接有效地给出材料的损伤行为、材料的组织结构特征参量和材料的工艺过程之间的紧密的关联性，同时，可用于对损伤机理进行解释，并对损伤的预防提供支撑。通过合理选取不同的物理冶金分析技术手段，损伤分析人员可得到材料中不同组成相的晶体结构、形貌（尺寸、形状和空间分布等）以及成分信息，还可得到材料的物理性能以及应力状态等。

关键词：金属材料；损伤分析；物理冶金；技术

1金属损伤结构的主要修补技术

1.1机械连接修补

机械连接修复是利用螺栓或铆钉将外部补片固定在损伤部位周围，使损伤结构的荷载传递路径得以恢复的一种修复方法。

机械连接修复的优点是操作简单，不需要制冷、制热设备，对修复面要求低，施工速度快。缺点是在修复过程中，损坏的结构件需要钻孔，并引入新的损伤，容易引起新的应力集中，降低结构的疲劳寿命储备，大大降低修复效率。而且会改变原修复结构的表面形状，修复部位的局部质量也会发生明显变化，不利于提高结构的强度。

对于机械连接的修复，修复前应充分考虑补片的厚度、形状和材料、正确的制孔工艺、紧固件的类型和材料、紧固件的位置布置、制孔对原结构的影响、紧固件的装配和密封等问题。

1.2胶螺钉或胶铆钉混修

对于一些在复杂外荷载作用下受损的金属结构，如果仅采用胶接修复，胶接层将承受很强的剥离作用，胶接层的剥离强度往往较低。在这种情况下，补片可以在粘接的基础上再加螺栓或铆钉重新固定，以增强抗剥离能力，保证修补效果。

在混凝土结构的养护过程中，应根据实际损伤结构形态、受力等因素，选择合理的修补方法。与机械连接修复和混合修复相比，复合粘接修复技术不需要对原有结构进行钻孔，不形成新的应力集中源，而且修复后结构的增重较小，基本保持了原有的结构形状，因此是一种广泛应用的修复方法。

2物理性能分析技术

2.1密度分析

金属材料的密度取决于原子的质量、大小和排列。金属合金化后，由于元素固溶和第二相析出，密度会发生不同程度的变化。分析方法一般采用浸泡法和X射线法。浸没法是通过测量金属材料的质量和体积来获得金属材料密度的方法，而X射线法是通过测量材料的晶格参数，结合晶格类型，通过测量金属材料的质量和体积来获得密度的方法，计算单位体积中的单胞体积和单位体积中的单胞数目，并结合原子质量计算单位体积中的单胞总质量，从而得到材料的密度。

2.2热性能分析

通常指热膨胀性能（热膨胀系数、导热系数等）的分析，它关系到构件的尺寸稳定性以及不同构件之间的尺寸匹配。在材料或部件的设计、制造和服务过程中，必须充分考虑其影响。所有这些都可以用专用仪器进行分析和测量。

2.3扩散过程分析

扩散过程分析是了解金属材料高温行为特征的必要条件，特别是在材料制备、热处理、表面改性、氧化和蠕变等过程中。在均匀金属材料的自扩散过程中，放射性示踪法可以用来分析扩散过程。对于非均质材料，化学分析方法一般可以用来分析金属材料中不同组分（相）界面元素的分布特征。结合Fick定律，可以得到不同扩散过程的扩散系数。

3残余应力分析技术

残余应力是存在于固体中的一种自平衡应力。一般来自材料或部件的制备过程、连接过程、装配过程、热处理/表面处理或维修过程。它将直接影响材料的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能，并在加工或热处理过程中经常引起变形。因此，如果不进行有效的分析和分析，一方面会降低残余应力，另一方面，在准确理解残余应力的前提下，可以有意识地将残余应力引入到构件中，从而延长构件的使用寿命。因此，在进行材料损伤和构件失效分析时，应考虑残余应力的分析。

有许多分析技术可以用来表征残余应力状态。一般来说，有两种分析技术。

3.1基于应力释放技术来测量内部残余应力

显然，这种技术是一种有损技术，必须破坏材料或部件。最具代表性的方法是等高线法和钻孔法。轮廓法是利用线切割法（EDM）对被测试样进行切割，释放残余应力，并通过切割表面的平整度变化来分析残余应力。该方法的优点是测量装置简单，可以得到截面的法向残余应力场。最重要的是它可以剪一次。值得注意的是，样品在切割时不会移动。12.5mm厚铁素体钢板纵向焊接残余应力分布特征。采用钻孔法测量表面附近的残余应力。将引伸计连接到待测区域并钻一个小孔。开孔后，孔附近的应力释放。利用伸长计可以记录释放的应变，从而分析原始平面残余应力状态，ASTME837标准方法规定了该技术的使用过程。该方法简单，成本低，对样品损伤小。其主要缺点是钻孔时孔壁会发生塑性变形，导致测量结果出现偏差，只能得到表面附近（接近孔径的深度）的残余应力，通常只能逐点测量。多点测量时，各点（孔）不宜太近，间距一般为5mm。

3.2残余应力分析技术是衍射技术，属于无损分析技术

通常包括常规X射线衍射技术（实验室级）、高能同步辐射X射线衍射技术和中子衍射技术。

传统的X射线衍射技术采用sin2ψ法测量残余应力。由于X射线在试样中的穿透能力很弱，一般为20～30μm，该方法假定被测表面的法向残余应力为0，可以不用标准试样测量表面残余应力和应力场。与剥离技术相结合，可以分析近表面残余应力，也可以使用便携式X射线衍射技术，但是这种技术对样品的表面状态非常敏感。相关技术标准可参考ASTMe1426、ASTMe915和hb20116。TC4合金快速切削后表面β-晶粒的变形特征为：晶粒沿切削方向被拉扭，厚度为数微米；用X射线衍射法分析了不同切削速度引起的表面残余应力状态，发现低的β-晶粒在切削过程中产生的应力集中在表面切削速度会产生压应力，而随着切削速度的增加，残余应力逐渐变为拉应力。同步辐射X射线衍射（srxrd）和中子衍射（中子衍射）两种技术对样品和无应力参考样品的晶面间距进行了比较和测量，得到样品中的残余应变值和残余应力状态，必须在一个特殊的大型科学分析设备上进行分析。同步辐射X射线衍射（srxrd）技术可以快速测量二维应力场，分辨率优于1mm。但由于其衍射角小，一般适用于薄板样品的测量。另外，三轴应力的测量也比较困难。在名义应力强度为MPA·M1/2的条件下，对具有疲劳裂纹的12mm厚铝锂合金试样施加拉伸载荷，得到了6.6mm的裂纹尖端沿裂纹张开方向的弹性应变场和应力场。相比之下，中子衍射技术可以测量三维应力场，探测深度可以达到几厘米到几十厘米。检测方法有相关的技术标准可供参考和使用（如ISO/ts21432和GB/t21432）26140），但测量费用昂贵，检测装置不易获得。 结论

综述了金属材料损伤分析中常用的物理冶金分析技术，不同的技术各有其特点和不足，能够给分析人员提供不同种类和不同层面的信息，在分析工作中起到不同的作用和解释不同方面的问题，因此，在实际的分析工作中，应根据分析的具体要求、技术手段的实用性和可用性以及分析人员的合理综合判断，有针对性地选取实用的分析技术，并将它们有效地结合起来，筛选合适的分析技术手段和装备，为分析工作获取有价值的综合信息。

参考文献：

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[2]张辰玉.金属损伤结构复合材料胶接修补胶工程选择试验研究[J].装备环境工程，2019,15(4):56-60.