失效分析课件.ppt

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1、材料失效分析 Failure analysis of materials,中国石油大学 蒋淑英,课程目标,主要介绍金属装备及其构件失效与失效分析的工程概念及相关的理论知识。了解失效分析的方法与手段，以及各种失效形式的失效现象、失效特点、引起失效的原因及预防措施。,基本要求,掌握失效分析方法的科学思维、逻辑推理方法和思路。掌握各种失效形式的失效现象、失效特点、引起失效的原因及预防措施。了解进行失效分析的测试技术，初步具备对测试结果进行分析的能力。,主要内容,绪论 失效分析基础知识失效分析思路方法和基本程序失效分析的常规测试技术及选择失效分析技术-断口、裂纹、痕迹分析静载荷作用下的断裂失效分析疲劳

2、断裂失效分析磨损与腐蚀失效分析实际构件失效分析案例压力容器与管道失效分析与安全评价实验-机械零件失效分析,参考资料,金属构件失效分析，廖景娱主编，化学工业出版 社，2003； 失效分析基础与应用，孙智主编，机械工业出版社，2005；机械零件失效分析与预防，涂铭旌主编，高等教育出版社；机械零件失效分析，陈南平，清华大学出版社，1988；失效分析与故障预防，何德芳主编，冶金工业出版社，1990。,考核方式,考试方式：开卷成绩计算：考试成绩70%+平时成绩30%,第一章 绪论,1.1 失效与失效分析1.2 失效分析的意义1.3 金属构件的失效形式及失效原因1.4 失效分析的现状与发展趋势,1.1 失

3、效与失效分析,1.失效各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。,零件失效包括三种情况：,失效 failure,（1）由于断裂、腐蚀、磨损、变形等完全丧失其功能；,（2）部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能；,（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。,例如，压力容器在运行中突然产生壳体开裂引起介质外泄或爆破，涡轮机在运转中突然发生叶片断裂而停止运

4、转或使整机遭到破坏。,例如，换热器流道变形、污垢堵塞使传热系数下降，压缩机气缸内壁腐蚀使排出气体压力下降。,例如：锅炉和压力容器的安全阀失灵、火车或汽车的刹车失灵等。,要区分“失效”与“事故”，这是两个不同的概念。事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。,“失效”与“事故”,2.失效分析 Failure Analysis,是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。 任务：揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，找出纠正和预防失效的措施。

5、,事前分析，主要采用逻辑思维方法(如故障树分析法、事件时序树分析法、特征一因素图分析法等)，其主要目的是预防失效事件的发生。 事中分析，主要采用故障诊断与状态监测技术，用于防止运行中的设备发生故障。 事后分析，是采用实验检测技术与方法，找出某个系统或零件失效的原因。 通常所说的失效分析是指的事后分析。,按照失效分析工作进行的时序和主要目的，失效分析可分为事前分析、事中分析和事后分析。,涉及的专业知识、采用的思想方法及分析手段等方面，有许多共同之处。 在分析的对象、分析的目的及判断是非的依据等方面是不同的。,失效分析与废品分析的区别：,失效分析的对象是在使用中发生失效的产品，分析的主要目的是寻找

6、失效的原因。漏检和技术标准不合理都可能是失效的原因。 废品分析的对象是不符合技术标准的产品及半成品。它所讨论的问题是产品及半成品为什么不符合技术标准的要求。至于产品的技术标准是否正确则不属于废品分析要解决的问题。,在失效分析时应将二者区分开来。例如，在分析某零件发生断裂的原因时，不能简单地根据该产品的某项技术指标不符合标准要求，就作为判断失效原因的依据。这一结论可能正确也可能完全不正确。例:模数为7的传动齿轮，采用20CrMnTi钢制造，经渗碳淬火并低温回火处理。技术要求是：渗碳层的硬度58 63HRC，心部硬度3228HRC，马氏体及残余奥氏体4级，渗碳层深度为1.31.5mm。该齿轮在使用

7、中发生断齿失效，试分析断齿原因。,渗碳层硬度为62HRC心部硬度为32HRC马氏体及残余奥氏体为3级，均符合要求渗碳层深度为1.1mm，不符合技术要求。 按照技术要求而判为不合格品，这是无可非议的。 现在要处理的问题是齿轮为什么发生断齿，那就不能简单地认定是硬化层深度不足而引起的。,分析一： 常规检查结果,按失效分析的观点，在进行上述常规检查后应作进一步分析。 分析表明，断口为宏观脆性断裂(掉下的齿形呈凸透镜状)，众多初裂纹源于表面加工缺陷处，经快速扩展后引起断裂，属过载类型的宏观脆性断裂。分析：该齿轮断齿失效是由于齿根加工质量不良产生的严重应力集中引起的。改进措施：提高齿根的加工质量，减少应

8、力集中及防止过载。,分析二,实践证明这一分析结论是正确的。按照分析的观点，如果增加硬化层的深度至1.31.5mm，虽然符合技术要求，但由于渗碳层的脆性进一步加大，不但解决不了此类断齿问题，而且会增加此类断齿的危险性。,1.2 失效分析的意义一、失效分析可产生巨大的社会经济效益 失效分析的巨大社会经济效益是显而易见的，它主要表现在以下几个方面。（1）失效将造成巨大的经济损失 据化工部对全国51个中型合成氨厂的不完全统计，1971年到1979年，共发生受压容器重大失效事故260起，直接损失5493.2万元。1973年到1983年全国压力容器发生爆炸事故13起，锅炉爆炸事故957起。,据美国1982

9、年的统计表明，每年由于磨损、腐蚀和断裂失效造成的直接经济损失3600亿美元；日本由于腐蚀失效造成的直接经济损失4万亿日元，占当年国民经济生产总值的3；原西德每年因摩擦磨损失效而造成的经济损失约100亿马克；我国机械行业因腐蚀失效造成的直接经济损失约300亿人民币，全国估计约高达2800亿人民币。 产品发生失效后，往往造成整机的破坏甚至整个企业的生产停顿，由此将造成更大的间接损失。,（2）质量低劣、寿命短导致重大经济损失 一些量大面广的机械产品，由于质量低劣，使用寿命大大缩短，也将造成巨大的经济损失。 齿轮、轴承、弹簧、轴及紧固件、工模具等是机械工业的基础件。一个具体件的失效，往往并不造成多大的

10、经济损失，但是由于量大、涉及面广且失效频繁，由此而造成的经济损失也十分巨大。 20世纪80年代，我国钢产量仅为日本的三分之一，而高速钢的消耗却为日本的三倍，其重要原因之一，就是模具用钢不合理及模具寿命低。热挤压用模具的寿命也有类似情况，国内不少厂家自制模具的使用寿命仅为日本进口模具的三分之一。除了模具的正常磨损等失效外，由于工艺原因造成的早期断裂占了相当大的比例。,（3）提高设备运行和使用的安全性 一次重大的失效可能导致一场灾难性的事故，通过失效分析，可以避免和预防类似失效，从而提高设备安全性。设备的安全性问题是一个大问题，从航空航天到电子仪表，从电站设备到旅游娱乐设施，从大型压力容器到家用液

11、化气罐，都存在失效的可能性。通过失效分析确定失效的可能因素和环节，从而有针对性地采取防范措施，可起到事半功倍的效果。 通过失效分析，明确失效模式，找出失效原因，采取改正或预防措施，使同类失效不再发生，或者把产品的失效限制在预先规定的范围内，都可挽回巨额的经济损失，并可获得巨大的社会效益。,二、 失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高 有些产品在使用中之所以会失效，常常是由于产品本身有缺陷，而这些缺陷在大多数情况下在出厂前是可以通过相应的检查手段予以发现的。但是由于出厂时漏检而进入市场，这就表明工厂的检验制度不够完善或者检验的技术水平不够高。 产品在使用中发生的早期失效，有相当大的部分是因

12、为产品的质量有问题。通过失效分析，将其失效原因反馈到生产厂并采取相应措施，将有助于产品质量的不断提高。这一工作是失效分析和预防技术研究的重要目的和内容。,三、 失效分析有助于分清责任和保护用户利益 对重大事故，必须分清责任。为了防止误判，必须依据失效分析的科学结论进行处理。,对于进口产品存在的质量问题，及时地进行失效分析，则可向外商进行索赔，以维护国家的利益。,四、失效分析是修订产品技术规范及标准的依据 随着科学技术水平的不断提高及生产的不断发展，要求对原有的技术规范及标准作出相应的修订。各种新产品的试制及新材料、新工艺、新技术的引入也必须及时制订相应的规范及标准。而这些工作的正确进行，都需要

13、依据产品在使用条件下所表现出来的行为来确定。如果不了解产品服役中是如何失效的，不了解为避免此种失效应采取的相应措施，原有规范和标准的修订及新标准的制定将失去科学的依据。,五、失效分析对材料科学与工程的促进作用 失效分析在近代材料科学与工程的发展史上占有极为重要的作用，材料科学的发展史实际上是一部失效分析史。 材料是用来制造各种产品的，它的突破往往成为技术进步的先导。,（1）失效分析促进了材料强度与断裂学科的产生 整个强度与断裂学科的产生与发展与失效分析紧密相连。 “疲劳与疲劳极限”、“氢脆与应力腐蚀”、“断裂力学与断裂韧度”的提出都是在失效分析的促进下完成的，这在近代材料学科的发展中具有里程碑

14、意义。 在19世纪初叶，频繁的火车断轴曾经给工程界造成巨大冲击。长期在铁路部门工作的A. Whler(18191914)设计了各种疲劳实验机，经过大量实验，提出了疲劳极限的概念并从中获得了S-N曲线，一百多年来，人们对各种材料的S-N曲线进行了研究，从而推动了由静强度到疲劳强度设计的进步。,1954年1月10日和4月8日，有两架英国彗星号喷气客机在爱尔巴和那不勒斯相继失事，以后进行了详尽的调查和周密的试验，在一架彗星号整机上进行模拟实际飞行时的载荷实验，经过3057充压周次(相当于9000飞行小时)，压力舱壁突然破坏，裂纹从应急出口门框下后角处发生，起源于一铆钉孔处。之后又在彗星号飞机上进行了

15、实际飞行时的应力测试和所用铝材的疲劳实验。经过与从海底打捞上来的飞机残骸的对比分析，最后得出结论，事故是由疲劳引起的。这次规模空前的失效分析揭开了疲劳研究的新篇章。,对于许多大型化工设备不锈钢件的断裂原因分析发现，具有一定成分和组织状态的合金，在一定的腐蚀介质和拉应力作用下，可能出现有别于单纯介质和单纯拉应力作用下引起的脆性断裂，此种断裂称为应力腐蚀断裂。 第一次世界大战期间，随着飞机制造业的发展，高强度金属材料相继出现，但随后发生的多次飞机坠毁事件给高强度材料的广泛应用造成威胁。失效分析发现，坠毁原因是构件含有过量氢而引起的脆性断裂。含过量氢的金属材料，强度并不降低但脆性大大增加，称为氢脆。

16、（我国李薰等人提出） 此后，氢脆和应力腐蚀逐步发展成为材料断裂学科中另一重大领域而被广泛重视。,目前以断裂力学(损伤力学)和材料的断裂韧度为基础的裂纹体强度理论，被广泛应用于大型构件的结构设计、强韧性校核、材料选择与剩余寿命估算，因而成为当代材料科学发展中的重要组成部分。这一学科的建立和发展也与机械失效分析工作有着密切的关系。,（2）失效分析促进材料开发与工程应用 把失效分析所得到的信息反馈给冶金工业，就能促进现有材料的改进和新材料的研制。 材料中的夹杂、合金元素的分布不良等经常会导致材料失效，这极大地促进了冶金技术、铸造、焊接和热处理工艺的发展。 腐蚀、磨损失效的研究，促进了表面工程这一学科

17、的形成与发展。现在，表面工程技术已经广泛应用于不同的构件和材料，保证了材料的有效使用。,一、失效分析发展的三个阶段,1.3 失效分析的发展历史、现状与发展趋势,（1）初级阶段 第一次世界工业革命前，这个时期是简单的手工生产时期，金属制品规模小且数量少，其失效不会引起重视，失效分析基本上处于现象描述和经验阶段。,失效的频繁出现引起了重视，促使失效分析技术的发展。此阶段最可喜的是各种失效形式的发现及规律的总结，促使研究带裂纹体力学行为的断裂力学的诞生。但限于当时的分析手段主要是材料的宏观检验及倍率不高的光学金相观测，未能从微观上揭示失效的本质；断裂力学仍未能在工程材料断裂中很好地应用。此为失效分析

18、的第二阶段。,（2）近代失效分析阶段 以蒸汽动力和大机器生产为代表的世界工业革命开始，生产大发展，金属制品向大型、复杂、多功能开拓，但当时人们尚未掌握材料在各种环境中使用的性态、设计、制造及使用中可能出现的失效现象。锅炉爆炸、桥梁倒塌、车轴断裂、船舶断裂等事故频繁出现，给人类带来了前所未有的灾难。,（3）现代失效分析阶段 随着电子行业的兴起，微观观测仪器的出现，特别是分辨率高、放大倍率大、景深长的透射及扫描电子显微镜的问世，使失效分析扩大了视野，洞穿失效的微观机制，随后大量现代物理测试技术的应用，如电子探针、X射线显微分析、X射线及紫外线光电子能谱分析、俄歇电子能谱分析等，从而促使失效分析登上

19、了新的台阶。失效分析现处在第三阶段的历史发展时期，这是现代失效分析阶段。,这一阶段已经走过近半个世纪，并取得了重大的成就。电子显微分析使失效细节观察成为可能，促使断口学及痕迹学的完善，成为失效分析最重要的科学技术；断裂力学已成为研究含裂纹的工程结构件变形及裂纹扩展的分支学科，断裂力学在失效分析诊断中起了重大作用，揭示含裂纹体的裂纹扩展规律，并推进失效预测预防工作的进展。,二、 国外的失效分析工作,1.3 失效分析的发展历史、现状与发展趋势,（1）建立了比较完整的失效分析机构德国 失效分析中心主要建在联邦及州立的材料检验中心 原西德的11个州共建立了523个材料检验站 工科大学的材料检验中心日本

20、 金属材料技术研究所、产业安全研究所和原子力研究所。 企业界有新日铁、日立、三井、三菱等都有研究机构 各工科大学都有很强的研究力量。 美国 失效分析中心遍布全国各个部门，有政府办的，也有大公司及大学办的。,例如，国防尖端部门、原子能及宇航故障分析集中在国家的研究机构中进行；宇航部件的故障分析在肯尼迪空间中心故障分析室进行；阿波罗航天飞机的故障在约翰逊空间中心和马歇尔空间中心进行分析；民用飞机故障在波音公司及洛克威尔公司的失效分析中心进行分析。福特汽车公司、通用电器公司及西屋公司的技术发展部门均承担着各自的失效分析任务。许多大学也承担着失效分析任务。像里海大学、加州大学、华盛顿大学承担着公路和桥

21、梁方面的失效分析工作。有关学会，如美国金属学会(ASM)、美国机械工程师学会(ASME)和美国材料与试验学会(ASTM)均开展了大量的失效分析工作。,（2）制定失效分析文件、事故档案及数据库,失效分析工作是一项复杂的技术工作，为了快速地、准确可靠地找出失效的原因及预防措施，应使失效分析工作建立在科学的基础上，以防误判和少走弯路。 为此，在一些工业发达国家均制定了失效分析指导性文件，对于失效分析的基础知识、概念及定义，失效的分类及分析程序均作出了明确规定。各研究中心还建立了事故档案及数据库，以便有案可查，定期进行统计分析，并及时反馈到有关部门。,（3）大力培养失效分析专门人才 工科高校开设失效分

22、析课程 对在职职工有计划地进行技术培训（4）大力开展失效分析技术基础的研究工作 系统研究材料的成分、工艺、组织对各个失效行为的影响，以期获得耐用性能的优化； 研究失效的微观机制与宏观失效行为间的关系； 系统研究材料及构件在机械力、热应力、磨损及腐蚀条件下的失效行为、原因及预防措施； 开展特种材料及特殊工况条件下失效行为的研究。,(5)大力开展失效分析及预防监测手段的研究工作 研究先进的测试技术，对运行中的设备及机件进行监测。 例如:研制了大型轴承失效监测仪； 轴承温度报警装置； 玻璃纤维端镜监控系统及各类无损探伤. 利用多种先进的测试技术对锅炉、压力容器、防爆电机、发电设备、核能装置、车辆的操

23、纵系统及行走部件等危及人身安全的产品定期地进行检查与监督均收到了较好的结果。计算机技术的应用得到加强，而且取得了好的效果。,早期，我国机械工业处于仿制研制阶段，失效分析工作只是为生产中的问题提供一些咨询，并没有得到足够的重视，也没有统一的组织形式。随着我国机械工业的不断发展，失效分析的早期工作形式、内容及采用的方法和手段已经越来越不能满足客观上的需要。这一状态直至1980年中国机械工程学会委托材料学会召开第一次全国机械装备失效分析学术会议为止，才得以改变。 目前，我国的机械产品和工程结构日趋大型化、精密化和复杂化。这类产品发生的失效，比以往的失效将会造成更大的财产损失和人员伤亡。这就要求一切产

24、品必须具有比以往更高的可靠性和安全性，从而对失效分析工作提出了更高的要求。,二、我国的失效分析工作,在中国机械工程学会的领导下，1980年在北京召开了全国第一次机械装备失效分析经验交流会，收集了论文和分析案例311篇，从而揭开了我国失效分析工作的新篇章。1984年在杭州，1988年在广州相继召开了第二次和第三次全国失效分析技术会议，并出版了会议论文集。1992年由中国科学技术协会指导和支持、中国机械工程学会承办、全国22个一级学会共同组织的全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会在北京举行，1993年6月于桂林召开了第四次全国失效分析会议。1998年在北京召开了第三次全国机电装备失效分析预测预防

25、战略研讨会，宣布成立我国机械工程学会失效分析学会，将原来的失效分析专门委员会提升为二级独立学会，同时描绘了21世纪我国失效分析工作的蓝图，标志着我国的失效分析工作开始了一个新纪元。,（1）认真总结经验，积极开展交流活动,（2）建全我国的失效分析组织机构和开展基础研究工作,在中国机械工程学会下设失效分析工作委员会，后提升为失效分析学会，统一组织和领导全国机械行业的失效分析工作。在材料学会、热处理学会和理化学会内成立了相应的组织机构，领导和组织本学科内的失效分析工作。在工矿企业及大专院校也成立了失效分析研究中心、研究所，定期开展各自富有专长的技术活动与社会服务工作。,（3）开展失效分析专门人才的培

26、养工作,机械工程学会和一些大学派出专家学者出国考察访问，学习和借鉴国外在失效分析方面的工作经验，提出了在我国工科大学设立材料检验检测中心和培养专门人才的建议。自1983年起，将失效分析课程列为工科院校材料科学与工程类专业教学计划中的必修课程，在清华大学、浙江大学等著名高校还将失效分析列为机械类学生或工科类学生的选修课或研究生课程。随后许多大学还举办了各种类型的短训班及在职人员培训班，使我国的失效分析技术队伍逐步形成。,组织失效分析专门人才有计划地编写出版失效分析技术资料、丛书、文集等。由中国机械工程学会材料学会主编的机械产品失效分析丛书(1套11册)及机械故障诊断丛书(1套10册)、机械失效分

27、析手册等相继出版。有关工科院校还编写了相应的失效分析教材、交流资料等，一些著名学者也出版了一批失效分析的专著，为失效分析专门人才的培养奠定了基础。,（4）建立失效分析数据库和网络,我国已相继开发和建设了一些与失效分析工作相关的数据库，如1987年由航空材料数据中心建立的材料数据库，1991年以后上海材料研究所和郑州机械研究所相继建成工程材料数据库和机械强度与疲劳设计数据库，1995年以后航空材料研究所建成金属材料疲劳断裂数据库，腐蚀数据库等。 目前我国的失效分析工作，正密切配合产品的更新换代，确保产品的质量与可靠性等积极开展工作，这将为我国的经济建设及材料科学的发展进一步做出贡献。,三、失效分

28、析的发展趋势,（1）失效分析成为系统可靠性工程的基础技术 近代工业中，机械设备的重要特点是自动化程度越来越高，结构也越来越复杂，因而价值也越来越大。由此，对设备可靠性的要求会更高。这就要求必须将失效分析中所得到的信息及时而准确地反馈到产品的设计、制造及使用部门，使其成为系统可靠性的基础技术。（2）失效分析继续成为提高产品质量的保证 产品要在市场上有竞争能力，必须首先保证质量，消除一切隐患。这就要求必须加强产品在使用和生产现场的分析工作及基础研究。可以预见，大量的、基本的失效分析工作，将在生产第一线大力开展，成为提高产品质量的可靠保证。,国外已经将失效分析引入产品设计的程序中,（3）加强失效分析

29、的普及与基础工作的研究,在我国失效分析工作的技术队伍虽然已初步形成，但无论在专业化程度、组织形式方面，还是在技术水平及所采用的手段方面，都还有待于进一步提高。失效分析工作的普及问题，更需要一大批技术人员来解决。 失效分析的力学基础、物理学基础、化学基础、断口学基础及分析工作的程序化与现代化的技术手段等均需进一步加强。各类失效的机理、失效模式、失效的定量描述等将成为失效分析基础研究的重点。,（4） 加强计算机在失效分析工作中的应用,应用计算机进行失效工作，将大大提高分析工作的准确性和可靠性。用计算机分析失效，可以排除因分析人员的经验、素质和手段不足而带来的局限性和误判。 计算机数据处理、图像处理和信号分析，为我们进行失效分析的定量研究提供了基础。当然，用计算机分析失效，必须有大量的资料作依据。同时，许多失效分析经验和成果是用血的代价换来的。它对以后的生产有极大的指导意义。 为了使个别单位的经验得到推广和发挥更大的作用，建立专门的失效分析数据库和资料库是非常必要的。网络技术的发展，为全球化的诊断与分析技术提供了平台，建立有效的区域性、行业性甚至全球性的失效分析与故障诊断网络和远程诊断已引起国内外众多专家的关注，将会得到大的发展。,