I. Definition und Klassifizierung des metallischen Werkstoffversagens
Das Versagen von Metallmaterialien bezieht sich auf den Nutzungsprozess, der aufgrund einer Vielzahl von Faktoren dazu führt, dass Metallmaterialien ihre Konstruktionsfunktion oder Leistungsanforderungen nicht mehr erfüllen können. Dieses Versagen kann verschiedene Gründe haben, z. B. eine Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Materials, chemische Korrosion, mechanische Beschädigung usw.
Bruch: Je nach Ausmaß der Materialverformung kann ein Bruch weiter in duktilen Bruch und spröden Bruch unterteilt werden. Beim duktilen Bruch kommt es vor dem Auftreten eines spröden Bruchs zu einem erheblichen Verformungsprozess, der dazu neigt, plötzlich aufzutreten, es gibt kein offensichtliches Ausmaß der Verformung und verursacht daher eine größere Zerstörungskraft. Zu den üblichen Brucharten gehören auch Ermüdungsbruch und Bruch unter statischer Belastung, wobei Ermüdungsbruch auf einen Bruch des Materials unter längeren Spannungszyklen zurückzuführen ist, während Bruch unter statischer Belastung unter statischer Belastung auftritt.
Verschleiß:Verschleiß entsteht durch Gussteile bei hoher Geschwindigkeit, Vibration, Überlastung und anderen Betriebsbedingungen. Die Reibung zwischen den mechanischen Oberflächen führt zu Materialverschleiß und damit zu Materialversagen. Verschleiß kann in verschiedene Arten unterteilt werden, wie z. B. Abriebverschleiß, Adhäsionsverschleiß, Ermüdungsverschleiß, Korrosionsverschleiß oder Mikrobewegungsverschleiß. Bei Maschinen ist Abriebverschleiß eine der häufigsten Verschleißarten.
Korrosion:Korrosion ist eine chemische oder elektrochemische Reaktion, die auftritt, wenn ein Metallmaterial mit dem umgebenden Medium in Kontakt kommt, was zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften oder zur Zerstörung führt. Korrosion kann in Gesamtkorrosion und lokale Korrosion unterteilt werden, wobei lokale Korrosion häufiger vorkommt, darunter Spannungskorrosion, Porenkorrosion, intergranulare Korrosion und viele andere Arten.
Das Versagen von Metallmaterialien verringert nicht nur die Wirksamkeit des Produkts, sondern kann auch eine Gefahr für die Sicherheit des Personals darstellen. Daher ist die Fehleranalyse von Metallmaterialien von großer Bedeutung, da sie die Fehlerursachen identifizieren und wirksame Lösungen zur Verbesserung der Qualität und Wettbewerbsfähigkeit der Produkte vorschlagen kann.
II. Ursachen für das Versagen metallischer Werkstoffe
1. Wesentliche innere Mängel
Schrumpfung und Lockerung
Definition: Schrumpfung ist die Bildung von röhrenförmigen (oder konischen) oder verstreuten Löchern im Metall während des Kondensationsprozesses aufgrund der Volumenkontraktion im Barren oder Gusskern. Schrumpfung ist unter den Bedingungen einer schnellen Abkühlung möglich, obwohl große Schrumpfungslöcher vermieden werden, aber der Volumenunterschied zwischen dem flüssigen und dem festen Metall führt dennoch zu vielen kleinen Schrumpfungslöchern, die im Metall verteilt sind.
Auswirkungen: Die mechanischen Eigenschaften des Materials werden erheblich verringert, es kann zu Materialermüdung und somit zu Brüchen kommen und die Korrosionsbeständigkeit des Materials wird beeinträchtigt.
Abgrenzung
Definition: Das Phänomen der ungleichmäßigen chemischen Zusammensetzung in Gussteilen, unterteilt in mikroskopische Entmischung (z. B. intrakristalline Entmischung) und makroskopische Entmischung (z. B. Dichteseigerung).
Auswirkungen: führen zu einer ungleichmäßigen Leistung der Gussteile, in schweren Fällen kommt es zu Ausschuss.
Aufnahme
Definition: Metallisches oder nichtmetallisches Material mit einer klaren Schnittstelle zur Matrix. Je nach Art können Einschlüsse in metallische und nichtmetallische Einschlüsse unterteilt werden.
Auswirkungen: beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften des Materials und erhöhen die Rissgefahr.
Blasen
Definition: Metall kann im geschmolzenen Zustand eine große Anzahl von Gasen lösen. Beim Kondensationsprozess verringert sich die Löslichkeit und die Freisetzung von Gasen im Inneren des Metalls, wodurch Gasblasen entstehen.
Auswirkungen: Reduziert den wirksamen Querschnitt des Metallgussteils, mindert die Festigkeit des Materials und kann zur Rissbildung führen.
Konstruktionsfehler
Unzumutbare strukturelle Konstruktion: wie z. B. das Vorhandensein von Spannungskonzentrationsbereichen in den tragenden Teilen, eine unsachgemäße Konstruktion kann zum Versagen führen.
Unsachgemäße Materialauswahl: Bei der Auswahl der Materialien wurden keine angemessenen Standards eingehalten oder es liegt kein ausreichendes Verständnis für die Leistung des Materials vor, sodass das Material die Nutzungsanforderungen nicht erfüllen kann.
Verarbeitungsmängel
Wärmebehandlungsfehler
Wie z.B.: Abschreckrisse, Anlassrisse.
Auswirkungen: verringern die Festigkeit und Zähigkeit des Materials und erhöhen die Bruchgefahr.
Formfehler bei der Kaltverarbeitung
Wie zum Beispiel: Schleiffehler, Schnittfehler, Kaltstauchfehler.
Auswirkungen: Beeinträchtigen die Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit des Materials und verringern die Gesamtleistung des Materials.
Mängel im Nutzungsprozess
Überlastungsbeanspruchung: Das Material wird im Gebrauchsprozess einer übermäßigen äußeren Belastung ausgesetzt, die zu Verformungen oder Brüchen führt.
Korrosion: Materialien korrodieren in Feuchtigkeit, hohen Temperaturen, Säuren und Laugen sowie anderen aggressiven Umgebungen, was zu einer Verschlechterung der Leistung führt.
Ermüdung: Material unter Einwirkung wechselnder Belastung, nach einer gewissen Zeit kommt es zum Ermüdungsbruch.
Umweltfaktoren
Temperatur: Umgebungen mit hohen Temperaturen können zur Oxidation und Erweichung des Materials sowie zur Verringerung seiner Festigkeit und Härte führen.
Medium: Bestimmte Medienumgebungen können den Korrosionsprozess des Materials beschleunigen.
Luftfeuchtigkeit: Übermäßige Luftfeuchtigkeit kann dazu führen, dass Materialien Wasser aufnehmen, was zu Aufquellen, Verformungen und sogar Schimmelbildung führen kann. Dies kann insbesondere für elektronische Komponenten schädlich sein, bei denen Feuchtigkeit Kurzschlüsse und dauerhafte Schäden verursachen kann.
UV-Bestrahlung: Längere Einwirkung von ultravioletter (UV-)Strahlung des Sonnenlichts kann viele Materialien beschädigen, sie werden spröde und verlieren ihre Farbe und strukturelle Integrität. Dies gilt insbesondere für Kunststoffe, Farben und Textilien.
Chemische Belastung: Der Kontakt mit aggressiven Chemikalien kann zu einer Reihe von Reaktionen führen, darunter Auflösung, Verfärbung und chemische Zersetzung des Materials. Dies ist ein häufiges Problem in industriellen Umgebungen, in denen Materialien mit Säuren, Basen, Lösungsmitteln oder anderen reaktiven Substanzen in Kontakt kommen können.