微观缺陷分析在金属材料失效质量原因调查中的应用

杨杰森 马途丽 蒋忠伦 陈娟

摘要：随着材料科学的发展和科学技术水平的进步，扫描电子显微镜（又称扫描电镜、英文缩写型SEM（SANNINGELECTRONMICROSCOPE））的性能及其在材料学中的应用范围有了很大提高。扫描电镜使用高能电子束扫描样品。电子束与样品物质的相互作用刺激了二次电子、后向散射电子等多种物理信息，从而观察和分析了样品表面或短球形态，目前在材料科学、冶金矿物、半导体&微电子、生命科学等领域，特别是材料学中，SEM被广泛应用于粉末和纤维、石墨陶瓷、金属材料、复合材料、纳米材料等研究。结合SEM和其他分析仪器，可以观察材料的微观形态、晶粒大小形状、元素定量和定性成分分析、材料断裂分析和失效分析功能。已经成为材料科学和质量管理中不可缺少的工具之一。

关键词：微观缺陷分析;金属材料失效;质量原因

引言

随着材料科学的不断发展和科学技术的进步，使用高能电子束扫描样品的扫描电子显微镜（称为扫描镜或SEM（scanningclomscopy））的性能和范围，通过各种物理信息，例如二次电子和电子束与样品材料相互作用产生的反向电子，对样品表面或形态进行观察和分析，已被广泛应用于材料科学、矿物等领域SEM与其他分析工具相结合，能够观察材料的微观形态，组织颗粒形状，对成分进行定量和定性分析，进行材料断裂分析和失效分析，已成为材料科学和质量控制的重要工具之一。

1实验材料及过程

1.1试验材料

以6110铝合金为研究对象，其化学成分见表1，铝合金整体锻造制备工艺如下：熔炼-铸造-均匀化处理-挤压-锻造-热处理，产品锻造热处理后，表面不平整，存在凸起在对缺陷区域进行小样本切割后，用光学显微镜和扫描电子显微镜对材料进行了观察和分析。

1.2开裂金相分析及能谱分析

通过制备开裂面截面金相试样并磨制抛光，可以很清晰地看到开裂部位截面宏观特征。试样截面特征相似，中部均有明显的分层裂纹。中部开裂面附近可观察到较多的裂纹呈“压扁的网络状”，裂纹内存在氧化铁，裂纹附近有密集的高温氧化圆点。

1.3折弯件缺陷问题分析

折弯是形成冷冲压的过程，即在灰色材料受力、应力超过材料的弯曲点以及塑性变形后加工某种形状的过程。弯曲是指将板坯件放置在特殊的弯曲模具中、使用压力机或使用特殊设备将注射模用作角度制造零件的过程。折弯材料时，其弯管头处会发生重大的塑胶变形，亦即外层会延长，内部曲面会压缩。弯曲半径太小，无法弯曲。曲率半径过大，导致弹性反弹。因此，曲率半径值过高或过低可能会对弯曲零件的质量产生负面影响，而折弯半径值过低是导致折弯缺陷的主要原因。除了塑性变形外，弯曲的零件还伴随着弹性变形，当外力被移除时，弹性变形的弹性部分会立即恢复以产生弹性（反弹）或在压力弯曲处断裂，从而导致弯曲和断裂。材料的弹性是材料在外力作用下变形的一种金属特性，移除外力后，可恢复为其原始造型。

2结论

（1）缺陷部分可以看到疑似裂纹的线，该线大致平行于锻造外观轮廓，两端均在内侧终止而不与边缘相交。（2）光学观测，缺陷边缘较光滑，无断裂痕迹，无形状变形痕迹。（3）缺陷界面上有直径为2-3分的聚合物结构颗粒嵌入。（5）颗粒eds成分c含量为97%，表明该颗粒是调制器跌落。

3缺陷解决方案

3.1保持弯曲前的板料弯曲方向与板料轧制方向的垂直

轧制过程中钢板形成的纤维织物由于方向不同，产生了材料力学性能的各向异性。在车间的实际操作过程中，当纤维的方向平行于折弯线的方向时，材料的抗拉强度较低，并且容易使管接头断裂。在这方面采取的处理措施如下：如果织物纤维的方向与受材料一般外观约束的折弯线的方向平行，则折弯圆角半径必须至少增加钣金最小折弯半径的两倍;当组织中的纤维方向垂直于折弯线时，材料具有较高的抗拉强度，并且折弯圆角半径可以是最小折弯半径。折弯双向工件时，必须了解折弯线方向上的組织纤维方向.

3.2加强对防腐涂料的涂装控制

在钢结构材料的运用过程中，还需要考虑到防腐材料的涂装对其所产生的影响。一般来讲，现阶段的工作中都选择一些较为晴朗的天气、干燥的环境中进行防腐涂料的涂装工作。如果在雨天或者大风的天气中，尽可能地避免开展这方面的工作。正式的施工之前，需要对构件的表面进行充分的清洁处理，相关的工作人员在充分的了解到了说明书的相关要求和设计整体的方案之后，采取科学有效的管理措施进行防腐涂装的施工管理。一般来讲，主要是通过底层喷浆法，对于可能会出现腐蚀问题的地方进行喷涂的处理。在整个工作过程中，尽可能地避免漏涂、错涂现象的发生。另外，还需要有效地避免一些酸性液体的腐蚀性作用。对其所产生的各种影响，在大的程度上提高钢结构材料的质量。同防火处理的工作方式相同，完成了前期的涂装之后也需要在后期的工作过程中对其进行相应的监管和维护。

3.3保持板料表面在弯曲前光滑

在实践中，许多弯曲的零件被用作封套，例如面板、仪器封套等。这些零件需要良好的表面质量，以避免出现划痕、断裂等缺陷。为此，为了确保弯曲零件表面的质量，必须考虑到材料的合理选择和使用;加工艺切削，凸模应合理抛光;选择凹圆角和凹凸间隙。所采取的技术措施包括：将切割或切割的工件折弯，使剪切体面向内，即处于压力状态，形成效果更好;工件在折弯前用毛刺加工，折弯后可使用手动砂轮加工裂纹点。

结束语

通过分析金属材料表面裂纹的缺陷，以使金属材料更安全可靠，用有缺陷的鱼骨图和树木建立了分析方法和模型。可对多方向金属材料表面缺陷的原因进行系统深入的分析，确定企业级金属材料可能存在缺陷的地方，以及缺陷类型和具体的缺陷信息。鉴于许多次区域----金属材料系统、积累数据和绘制系统故障树和缺陷图所需的时间，以及金属材料领域正在取得的技术进步，制定有效的材料缺陷分析方法至关重要数字化的手段更好地监测整个金属材料的健康，乃至生命周期的健康状态监测。

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