《工程材料科学与设计》(james-p.-schaffer)chapter-14

1、工程材料科学与设计(james-p工程材料科学与设计(james-p2Gods determine what youre going to be.人生的奋斗目标决定你将成为怎样的人。 4Gods determine what youre go3案例：辛辛那提一百货商店的停车场中的问题 大块的混凝土碎块剥离 原因：冬天路面撒盐防冻，汽车驶入停车点后滴落含盐的水，导致钢筋氧化，体积膨胀，使得混凝土内部处于张应力状态 解决的方案： 将内部的加固钢筋连接到一个直流电路的负极上 1. 引言5案例：辛辛那提一百货商店的停车场中的问题1. 引言4（1）该部件或系统需要什么样的（电学、力学、化学、热学）服役性

2、能？（2）如何生产制造它？（3）它必须服役多长时间？（4）可以接受的生产成本是多少？（5）在使用过程中需要多长时间检查一次？（6）它多长时间需要检修或者维修一次？（7）在使用寿命结束后要怎么处理其废物？（8）最后，在使用中发生失效时会造成什么样的后果？6（1）该部件或系统需要什么样的（电学、力学、化学、热学）服5（1）设计和分析费用（2）制造成本（3）运行成本（4）处置费用 2. 统一终身成本工程7（1）设计和分析费用2. 统一终身成本工程6案例研究 材料选择中的成本分析定向凝固（DS）高温镍基合金叶片用于喷气式发动机中已经有相当长一段时间了。 每个叶片价格为300美元。如果一公司开始制造Si

3、C强化的Si3N4陶瓷基复合材料（CMC）的叶片。它能够承受12000C的高温，将可以大幅度地提高发动机的燃料效率。同时与使用寿命仅有2年的DS叶片相比，CMC叶片也可以使用4年。这个用户希望在未来5年内在发动机里装上第一批经过检验的CMC叶片，许诺在5年内每年购买5000只叶片。用户要求你的公司在一个月内递交一份成本预算方案和一个提供这些叶片的正式承诺。 你被指派来调研这个项目，给你的管理层提供合理的建议，最后由经理来决定是否继续进行竞标。 8案例研究 材料选择中的成本分析798 3. 材料和工艺的选择10 3. 材料和工艺的选择91为了材料的选择而建立的数据库2.有关材料和工艺的标准3.材

4、料的选择对环境的影响 111为了材料的选择而建立的数据库101211案例研究 电子组件封装外壳材料的选择这个问题涉及对电子组件封装外壳的材料进行最佳设计的问题o 随着电路密度(电子组件中单位面积上的有效工作元件的数日)增加，消耗的能量也增加了。导致半导体结点温度上升并可能造成失效，因此，电路密度受到散热能力的限制。除了结点失效外，温度的升高还可能引发疲劳。问题在于数以千计的连接点处发生失效，以及集成电路芯片与封装外壳之间发生故障的可能性增大。设计选择组件外壳封装材料，目标（1）热导率提高5倍以上；（2）外壳封装材料的热膨胀系数应该尽可能接近Si，（3）新的外壳封装材料要比现在使用的可伐合金要轻

5、。13案例研究 电子组件封装外壳材料的选择121413解答：（1）本案例中关键的材料性能是热导率、密度和热膨胀系数。（2）在所考虑的单一材料中，AlN是唯一可以满足所有设计要求的候选材料（3）考虑复合材料系统。把注意力集中在碳纤维复合材料上。（4）AlN或者Al-C，最佳为AlN15解答：1416151716案例研究 用作核废料容器的材料选择核电站每年产生大量高辐射的核废料。对于如何处置这些核废料的问题始终有很大的争议。如果没有可接受的解决方案，将会影响核电站的未来。一种比较活得认同的方案是将核废料密封在铅“罐”中埋葬于地下。这是因为铅对于放射线具有良好的屏蔽性。然而，容器必须保持10000年

6、的有效性。两个潜在的问题是由于蠕变和腐蚀引起的失效。我们讨论如何将这种失效的风险减少到最少的途径。18案例研究 用作核废料容器的材料选择17解答：（1）铅的熔点600K。室温为298K，大约为0.5Tm。因此，即使在室温下，由自身重量引起的蠕变也是设计时必须考虑的重要因素。核废料在容器中可能升温，从而加速罐蠕变的进行。（2）铅与地下水接触，在水环境下腐蚀的可能性也要被减少到最少。考古学中对暴露在水或者海水中长达2000年的铅试样进行检验。铅具有优异的抗腐蚀性能。（3）一种抵抗蠕变的设计是将使用过的核燃料放置在于厚壁的铜容器中，然后用铅填充燃料棒与容器之间的空隙。外部的铜壁用铅板包镶以保护铜不与

7、环境接触。19解答：18案例研究 无铅、快速切削铜合金的开发添加0.5%-3%（质量分数）的铅能够使铜合金的机械加工性得到显著的提高。铅在固相铜中事实上没有溶解度，但可在液相铜中有相当高的溶解度。在凝固时，铅便析出并形成均匀分布于铜晶粒内以及晶界上的第二相颗粒。在机械加工时，这些颗粒能起到断屑的作用并能避免刀具冷焊到工件上。许多管道设施都是由这些材料做成的。仅在美国含铅的铜合金的每年用量大约是50万吨。医学研究表明铅是有毒的。铅在饮用水中的含量是受到严格的法律限制。因此，取代快速切屑铜合金中的铅是必须的。20案例研究 无铅、快速切削铜合金的开发19解答：（1）Cu-X合金（X=Te，Se，Tl

8、，Bi， S）的二元相图表明这些元素在Cu中也具有有限的固溶度，能够扮演Pb的角色。（2）针对Bi-Cu合金的成功改进应当将晶界上薄膜状的第二相转变为球状。（3）通过添加合金元素或者降低Cu的表面张力，或者增大Bi的表面张力。（4）少量的In,S 和Bi能有效地替代Pb，来改进铜合金的机加工性能。21解答：202221232224232524 4. 风险评估和产品责任可靠性：零件在其设计寿命期间完成它的预期功能的可能性。风险26 4. 风险评估和产品责任可靠性：零件在其设计寿251.失效概率评估设备的失效可能会由多种原因所致。271.失效概率评估26 例题 我们假定结构陶瓷材料具有抗拉强度，其

9、平均值为100MPa，以及标准方差为20MPa。我们还假定在使用中所施加的应力的平均值为55.5MPa，而标准方差为10MPa。现在要评估失效概率。解答：当施加的应力超过材料的拉伸强度时，失效将会在结构陶瓷工件上发生。施加应力和材料强度的分布在图17-12中。该图中也给出了Q的分布（Q为抗拉强度与施加应力之间的差别）28 例题 我们假定结构陶瓷材料具有抗拉强度，其平均27可靠性：零件在其设计寿命期间完成它的预期功能的可能性。风险29可靠性：零件在其设计寿命期间完成它的预期功能的可能性。28 2.责任评估作为风险评估的一个组成部分，责任评估对于确定失效的代价是必需的。总体费用是直接费用、连带损失

10、费用及惩罚性损失费用的总和。30 2.责任评估29 3.质量保证标准质量保证包括制定检验方法及制造时评价关键构件的合格/废品的标准。它还包括操作规程、维修日程表和使用规程的详细说明。31 3.质量保证标准30案例研究 大型工业鼓风机的检验标准大型工业鼓风机的转子轴长达数米，直径则可达0.75m。这些轴一般由中碳钢制造经热处理屈服强度达到300 MPa，抗拉强度达500 MPa。轴首先锻造成形、再经过机加上获得最后的尺寸。你的公司为制造鼓风机，以10万美元的费用从供应商手中买来轴的锻件。这些锻件在供货前必须用磁粉检测方法进行检验。公司要求护绝接受任何含有可检测到的缺陷的锻件。所使用的规程能够检测

11、出表面上深度在1mm以上的裂纹。限制缺陷在1mm以下是为了确保所有的缺陷能在轴的最后机加工中被去除掉。32案例研究 大型工业鼓风机的检验标准31锻件供应两告诉你的公司有1/3锻件未能通过检测，它们的成本必须转移到通过检测的锻件之中，因而提高其售价。此外因为进行检验排除不合格品，使得交付这些锻件的时间也延误一些时间。作为材料丁程师，要求你来评估本公司中已经执行了20年的这项检验标准的合理性。33锻件供应两告诉你的公司有1/3锻件未能通过检测，它们的323433 5. 失效分析及其预防1.失效分析的一般实践第一步： 对失效构件进行全面的目视检查，甚至是在未进行任何清理之前来完成这项工作第二步：获得

12、构件的服役经历（1）构件服役时间多长？（2）在服役时承受的典型作用应力多高？（3）服役环境如何？（4）服役条件方面是否存在超常的偏差？35 5. 失效分析及其预防1.失效分析的一般实践34 案例研究 缝隙焊接蒸汽管的失效分析在电厂中，使用大型钢管来输送过饱和蒸汽给涡轮机。这些管子的直径大约为0.75m，是由厚度约为37.5mm的钢板制造程度。钢管中输送的蒸汽的压力为5MPa，温度为538oC（811K）。该温度大约是钢的熔点（热力学温度）的44%。在该温度下，对所使用的Cr-Mo钢，所关心的问题是蠕变变形与断裂。36 案例研究 缝隙焊接蒸汽管的失效分析35 解答（1）制造工艺：采用平整的钢板制

13、造，先将钢板轧制卷成圆筒状，然后使用埋弧焊接工艺沿着钢管的长度方向焊接并制造出多个焊道。（2）金相观察： 裂纹尖端部位上称为蠕变孔洞的孔隙清楚表明蠕变过程引起了失效。（3）Larsen-Miller 公式估计： 钢管的寿命超过118.7年。（4）问题出现在焊接件上。37 解答363837焊接蒸汽管在极高温下破裂的照片39焊接蒸汽管在极高温下破裂的照片3840394140 案例研究 电子线路中导线连接点处的失效现代电子线路中，在金的导线和铝衬板之间有数以百计的连接点，它们形成硅芯片与封装外壳之间的电导通连接。这些导线节点是由热压或者热声波工艺制作的。其几何形状在下图中示意性给出。工艺过程包括在A

14、l衬板的一侧上压上Au球，而在另外一侧上形成楔形连接点。在服役期间发现这些导线中有失效发生。我们将考察导致失效的原因。42 案例研究 电子线路中导线连接点处的失效414342 解答Al和Au通过互扩散形成两种脆性金属间化合物。这些金属间化合物Au2Al和Au5Al2能在23-50oC的温度范围内逐渐形成，而这正是这些线路的工作时所处的温度范围。在导线接点表面上形成的这些脆性金属间化合物能够由于热循环而引起如图17-25所示的疲劳失效。由于金属间化合物的形成所消耗的金也能造成导线接点处形成孔洞，它们随着时间扩展，最终引起断裂。44 解答434544 2.复合材料的失效分析46 2.复合材料的失效

15、分析45474648474948 3.失效预防负责任的实际操作、良好的维护、认真细致的定期检验发生断裂的关键构件，是避免失效的最好方法。50 3.失效预防49案例研究 航天压力容器的检查时间间隔的评估一个航天压力容器是有Al做成的。容器的外径是20cm，壁厚是1cm。该容器承受10MPa的氢压。该压力在4h中逐渐减少到2MPa。然后对容器重新加压。容器的设计寿命为5年。制造工艺可能留下沿压力容器整体长度上的纵观向裂纹。使用超声波法对容器进行检测。需要你推荐一个在制造期间的检验标准以及在随后服役期间的检验间隔。该Al合金的疲劳裂纹扩展特性由下式给出：（该合金的断裂韧性为30 MPa m1/2）51案例研究 航天压力容器的检查时间间隔的评估50525153521.先计算断裂时的临界裂纹尺寸2.估算能允许设计寿命为10950循环