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浅析铝合金失效机理

作者：郭琳

来源：《中国新技术新产品》2014年第12期

关键词：铝合金；失效；机理

中图分类号：TG13 文献标识码：A一般而言影响事物状态的条件统称为应力，而影响应力作用的因素材料有几个方面的因素：一是几何尺寸的大小；二是材料的构成和损伤的特性；三是材料的制造参数；四是材料所在的应用环境。其实术语应力的涵盖内容非常广泛，而术语环境则是各种应力的综合作用，它所涵盖的内容也同样广泛。 一、对失效机理的概念定义

我们在一般情况下材料的失效是指一种非此即彼的概念，这样材料要么是好的要么是坏的。但是在事实上，由于失效是一个过程，同时具体施教情况也在不断变化，这里大多数的失效都会更加复杂。事实上，失效一般是指在系统内部出现的应力在材料的内部结构上或者两个组件之间产生的相互作用相互影响所导致的结果。而这种相互影响又因为材料内部的各种变量所具有的随机性而难以确定。这就要求我们对失效机理有一个客观的认识，对材料的失效情况进行充分的了解，对材料各个方面可能出现失效情况的一一分析并加以预防。 1失效的第一个概念模型定义：应力-强度。

一个完好的事物有着其完好的应力，当事物所具有的应力没有超过强度的情况下，是怎样都不会对物体造成永久性的影响。只有当应力超过了其强度时，物体才会发生失效状况。而这种失衡状况的发生很大原因取决于在环境中关键事件的发生，不是指时间或循环历程。所指的强度一般被认为是随机变量。

2失效的第二个概念模型定义：损伤-韧性

一般而言，应力通常可以造成不可恢复的累计损伤，而累计损伤通常不会使产品的使用性能下降。可是当损伤超过了韧性时，也就是说当损伤累积到物体的韧性极限时，物体就会失效了。就算应力消除了，累积损伤也不会随其消失，韧性也被普遍认为是随机变量。 3失效的第三个概念模型定义：激励-响应

很多时候系统没有在使用的情况下，这样我们就很难发现它是否是坏了，只有在使用的时候才会被发现，而其中坏了的一个组件可能就会出现全体系统失效的状况。这种失效模式经常会被当前所处的环境中所发生的关键事件具体发生时间来决定。不过在实际情况中，这种失效情况一般不会经常发生，所以具体原因在判断和总结时也是多种多样的，但总的来说都是因为激励不当而造成的。

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二、关于铝合金失效的机理 1失效机理第一点：屈服

当物件发生过大的弹性变形时，就会发生失效，如果一个组件当前受到的应力已经超过其所具有的屈服强度，那么材料将会发生永久形变，无法进行塑形恢复。当然在各种情况下具体的变化也不尽相同，有时这种形变也不会再出现失效情况。具体分析这种失效情况，需要对材料的有限变形弹性力学做进一步的探讨。这种现象普遍发生在金属组件上。需要注意的问题是这一种类型失效可能对高精度结果造成问题。铝合金实际上没有明显的屈服现象，所以通常以发生微量的塑性变形（0.2％）时的应力作为该材料的屈服强度，称为条件屈服强度。又因为铝合金韧性可塑性较低，一旦施加过大的应力就会使得铝合金出现失效情况。 2失效机理第二点：翘曲

在材料中，翘曲的出现主要是由于材料的结构相对较细较长，这就导致材料在面对应力时候长期存在的弹性稳定性受到持续损伤。我们经常提起的临界翘曲应力是指材料所具有的共性特性和材料当前形状参数所长的比例。翘曲大意是指沿着不稳定的路径交接与初始变形模式发生的形变。

在铝合金的失效情况中由翘曲造成其失效的主要是因为铝合金的质地本身均匀度不佳，或者在某些情况下铝合金的内部温度不均匀，又或者是铝合金具有较大弯曲或较强的不对称几何形状。这就会形成翘曲从而导致铝合金的失效现象发生。 3失效机理第三点：疲劳断裂

由于在各种特殊环境下的影响以及其他比较相似的因素对铝合金的作用之下，铝合金再出现金属变形所导致的挤压时候，其客观的工作环境很不理想，而这也是让铝合金时效的不可忽视的原因。

分析铝合金模具情况，我们可以发现热疲劳断裂所导致的铝合金失效极为常见。一旦发生挤压，铝合金外层的温度就会比内部温度高，铝合金的外部就会因为扩张而出现应力。外头的温度升高使得铝合金的屈服强度变小，一旦屈服强度小于应力时，铝合金外层就会出现压缩应变。同理，外头温度下降而内部温度恒定，这就导致材料出现温差而产生了新的应力，而这种应力持续增大直到超过材料的屈服度到时候，又会导致材料出现拉伸应变。一旦模具的应变能力超过了材料本身的应变范围，就会使材料出现疲劳裂纹。而这种裂纹将会随着这种温度变化的形式不断扩大，最终出现疲劳断裂。而铝合金模具的表面也会变得粗糙，或者出现尺寸的差距甚至模具部分断裂而导致无法使用。 4失效机理第四点累计损伤

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在一些我们常见的医疗器械中，例如轮椅、拐杖、康复机器人等器械，由于价格昂贵且病人的使用时间相对集中而较短，所以更多的会出现在康复中心或医院频繁使用的情况。而这些医疗器械由于长时间使用在关键部位经常会出现由于累积的疲劳而造成的铝合金部件失效。例如在轮椅的使用中，一般分为凹口式刹车和肘节式刹车。凹口式刹车虽然费力但较为安全，而肘节式刹车利用杠杆原理，通过几个铝合金关节后制动，局部作受到的累积性损伤较大，疲劳积累较强，所以失效较快。 总结

铝合金失效机理一般是通过材料成分和材料的硬度来进行分析，铝合金的金属结构决定的失效的发生。在一般情况下，铝合金时效主要取决于材料或结构的缺陷、材料的制造和组装过程中导致的损伤和储存以及现场使用环境等。通过对铝合金失效的分析对于今后铝合金的使用也会有指导作用。 参考文献

[1]王仕达.铝合金挤压模的失效原因分析及措施[M].“机械工业出版社”. [2]郑开麟.铸造镁铝合金疲劳与失效行为的实验研究[M].“西北工大出版社”.