6第六章 过程装备失效与材料的关系
过程装备失效分析讨论课
过程装备失效分析讨论课常减压加热炉空冷器管束失效分析一题目背景如图1所示，某炼油厂IMGA0665-1蒸馏空冷设备管束损伤照片：图1 蒸馏空冷设备管束损伤图已知该空冷设备位于常减压加热炉上，所用原油为新疆生产的稠油，其成分如表1所示，正常工作温度为250~350℃。
表1 原油成分二失效原因分析根据加工原油成分和腐蚀形态特征分析，可知常压塔顶部空冷器腐蚀最为严重的部位是入口段，主要是由于环烷酸腐蚀、高速流体的磨损腐蚀和环境介质温度的综合作用，而引起的坑蚀、沟槽和穿孔等现象。
在进行故障树分析时，将翅片断裂和基管腐蚀穿孔作为顶事件，具体分析如下：2.1 磨损腐蚀2.1.1 腐蚀形态特征磨损腐蚀的特征主要是腐蚀部位存在局部性沟槽、波纹、圆孔和凹凸不平的形状，同时这些形状通常带有方向性。
2.2.1 腐蚀原因由于介质流动速度较快，当油气夹带有腐蚀液滴和杂质颗粒进入空冷器时，被携带的液滴和颗粒杂质具有很高的动能，它们与空冷器管束碰撞时呈现非弹性碰撞，液滴撞击局部形成的油气冲击使局部压力增大，液滴越大引起的局部油气压强越大，加之杂质颗粒高速撞击管束表面，液滴和杂质颗粒如无数子弹头一样连续打击金属表面，金属表面和快会疲劳剥蚀甚至穿孔。
同时在高速液流的冲击作用下，金属表面的保护膜容易破损，无法形成稳定的保护膜，导致金属磨损腐蚀加剧。
2.1.3 腐蚀部位在换热管道入口处，由于流动截面积大小发生改变，容易产生湍流，引起管道入口处数十毫米内发生严重的湍流磨损腐蚀；在流体方向改变的地方，如介质进口及换热管束弯头处，也容易发生冲击磨损腐蚀。
2.1.4 防止措施防止磨损腐蚀的措施主要包括以下几点：（1）选用耐磨损腐蚀好的材料，在材料中添加V、Nb、Ti等微量元素，能够细化晶粒，提高金属的耐磨性能；（2）改进结构设计，改变管束的布置方式，不宜采用U型管式，最好采用单管程空冷器，以减少磨损腐蚀；（3）该变工作环境，对于进入空冷器的流体介质除去颗粒杂质，同时降低管内流速，减小因液滴和固体颗粒引起的磨损；（4）使用涂层，在换热管束及换热片表面，增加抗磨涂层，如喷涂Al2O3-13%TiO2与WC-12%Co粉末，从而提高设备的抗磨性能。
过程装备腐蚀与防护1~6章习题与题解
为什么说“材料的腐蚀是自发产生的”？自然界中物质最稳定的存在状态是以金属化合物的形态存在。
如：Fe2O3、FeS、Al2O3等等。
由于它们的强度、硬度、刚度等性能不能满足工业结构材料的要求，用冶金方法外加能量将它们还原成金属元素及其合金，它们比其化合物具有更高的自由能，根据热力学第二定律，金属元素必然自发地转回到热力学上更稳定的化合物状态。
这就是金属的腐蚀过程。
有机非金属材料是由有机小分子材料经聚合成为大分子材料而具有一定的强度、刚度和硬度，具备满足工业结构材料性能的。
在聚合过程中加入的能量，使其比小分子具有更高的自由能。
在介质中材料发生一些化学或物理作用，使其从高能的聚合态向低能而稳定的小分子状态转变，使材料的原子或分子间的结合键破坏。
也是服从热力学第二定律的。
无机非金属材料有天然的和人工的。
两者均是由在自然界较稳定的化合物状态的分子或元素，在天然或人工外部作用下，结合成具有一定形状、强度、刚度和硬度的材料。
这些材料在形成过程中受到的外部作用，使其内能增加，具有比它们的化合物状态的分子或元素高的能态，同样由热力学第二定律，它们在腐蚀性介质环境下，发生化学或物理作用，使材料的原子或分子间的结合键断裂破坏。
也服从热力学第二定律。
材料腐蚀危害性 a.涉及范围广泛：因腐蚀是自发产生的，腐蚀现象就涉及到所有使用材料的一切领域；b.造成的经济损失巨大；间接损失：由于腐蚀引起停产、更新设备、产品和原料流失、能源浪费。
一般间接损失比直接损失大很多。
污染环境、造成中毒、火灾、爆炸等重大事故。
c.阻碍新技术、新工艺的发展。
直接损失：由于腐蚀造成的材料自身的损失，使材料变成废物。
间接损失：由于腐蚀引起停产、更新设备、产品和原料流失、能源浪费。
一般间接损失比直接损失大很多。
污染环境、造成中毒、火灾、爆炸等重大事故。
控制腐蚀重要意义研究材料的腐蚀规律，弄清腐蚀发生的原因及采取有效的防腐蚀措施，可以延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产率。
过程装备设计中材料的选择与应用
过程装备设计中材料的选择与应用作者：仲年生来源：《城市建设理论研究》2013年第23期摘要：在工业生产中，过程装备是一个重要的组成部分，可以说直接关系到企业的生产效率以及生产效益。
因此，装备的设计制造关系到企业的我国经济的发展。
在过程装备设计中，材料的选择关系到装备的质量，因此需要引起设计者的高度重视。
本文就此阐述过程装备设计中材料的选择与应用。
关键词：过程装备设计；材料选择；应用；化工；防腐中图分类号：D035.39 文献标识码：A 文章编号：引言材料对于装备制造具有极其重要的作用，材料是保证产品运行效果的关键。
因此在对过程装备进行设计时，重视材料的选择以及材料在过程装备制造中的应用，对于我国的过程装备制造发展具有极其重要的意义。
1、优选材料重要性信息时代，现代经济社会的飞速发展、工业体系的持续完善，令机械生产以及经营加工领域拥有了广泛的发展机遇，同时也面临着更为严峻的挑战。
目前，一些机械设计工作应用的重要材料呈现出逐渐稀缺的问题。
因此，新时期的机械设计工作应全面意识到应用材料需求扩充同各类重要原材料渐渐稀缺之间形成的矛盾问题，把握设计行业发展趋势方向。
同时，经济社会的持续发展、逐步完善进程中，较多行业领域经营建设对于生产原材料的综合需求，将同机械设计行业应用原材料的需求形成互相竞争发展的态势，抢夺资源、挤占空间，进而令机械设计应用原材料的优选以及实践生产空间逐步被压缩。
该类问题成为机械设计选择应用材料需要解决的基础矛盾。
因此，如何在保证机械设计实践工作水平的同时，树立良好的经济原则，注重环境保护、资源节约、体现良好的材料适用性，成为我们应主力研究探讨的重要问题。
只有秉承科学发展观，做好机械设计中材料的选择与应用，方能促进机械设计实现可持续的全面发展，创设显著的经济效益与社会效益。
2、材料的选择原则在机械设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
不仅要考虑材料的性能是否能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。
材料失效分析考点
一、名词解释1.失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生，这种丧失其规定功能的现象称为失效。
2.失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。
3.疲劳断裂：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳断裂，是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。
4.腐蚀疲劳：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种失效形式。
5.弯曲疲劳：金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳称为弯曲疲劳。
6.疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
7.冲蚀磨损：是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出现破坏的一类磨损现象。
其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动，其表面材料所发生的损耗。
8.粘着磨损相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的现象，称为粘着磨损。
9.磨损：当相互接触的零件表面有相对运动时，表面材料的粒子由于机械的、物理的和化学的作用而脱离母体，使零件的形状、尺寸或者重量发生变化的过程称为磨损。
10.磨损失效：机械零件因磨损导致尺寸减小和表面状态改变并最终丧失其功能的现象称为磨损失效。
11.蠕变：蠕变是金属零件在应力和高温的长期作用下，产生永久变形的失效现象。
12.屈服失效：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效。
13.塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。
14.断裂：零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂。
15.解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称这种断裂为解理断裂。
机械零件的失效与选材讲义课件
机械零件的失效与选材讲义课件1. 引言对于机械工程师来说，了解机械零件的失效原因以及合适的选材非常重要。
机械零件的失效不仅会导致设备损坏，还会带来安全隐患和生产中断。
因此，在设计和制造机械零件时，必须从材料的选择及使用环境等方面综合考虑，以确保机械零件能够正常工作并具有足够的寿命。
本讲义将介绍机械零件失效的常见原因，并详细讲解选材的重要性和一些常用的选材方法。
希望通过这次讲义，能够提高大家对机械零件失效与选材的认识，并能够在实际工作中应用相关的知识。
2. 机械零件的失效原因机械零件的失效可以归纳为以下几个方面：2.1 疲劳失效疲劳失效是指材料在经过多次加载和卸载的作用下，发生裂纹并最终断裂的现象。
疲劳失效是机械零件最常见的失效形式之一。
其主要原因有材料的疲劳强度不足、应力集中、工作条件不当等。
2.2 磨损失效磨损失效是指材料表面与其他物体之间的接触摩擦引起的更替、切割和磨损等现象。
磨损失效会导致机械零件尺寸偏差、表面粗糙度增加、机械性能下降和能耗增加。
减少磨损失效的关键在于选择合适的摩擦材料、润滑方式和工作条件。
2.3 腐蚀失效腐蚀失效是指材料在特定环境条件下受到氧化、酸碱腐蚀等作用而发生损坏的现象。
腐蚀失效不仅会导致机械零件表面损坏，还会影响机械属性和功能。
在设计机械零件时，需要选择能够抵抗腐蚀的材料，并采取防腐措施。
2.4 强度失效强度失效是指材料在受到超过其承载能力的载荷作用下发生破坏的现象。
强度失效可能是由于设计不当、材料强度不足、载荷突然增大等原因引起的。
在选材时，需要合理考虑机械零件的受力情况，并选择强度合适的材料。
3. 机械零件的选材方法机械零件的选材过程需要综合考虑以下几个要素：3.1 功能要求机械零件的功能要求是选材的首要考虑因素之一。
不同的机械零件需要具备不同的功能，例如强度要求、耐磨性要求、耐蚀性要求等。
选材时需要根据机械零件的实际工作条件，选择具备相应功能的材料。
3.2 工作条件机械零件的工作条件包括温度、湿度、压力、腐蚀介质等因素。
第六章作业
1、名词解释失效失效分析弹性变形失效塑性变形失效蠕变变形失效韧性断裂脆性断裂疲劳断裂腐蚀磨损答：失效：设备在生产使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质等因素的作用，失去其原有功能的现象；失效分析：对过程装备或构件在使用过程中发生的失效形式进行分析研究，从而找出失效的原因，并提出相应的改进措施称为失效分析；弹性变形失效：①金属材料失去了弹性功能；②过量的弹性变形；塑性变形失效：构件失效时，材料产生的塑性变形量超过了允许变形量；蠕变变形失效：蠕变变形量超出了规定的要求（金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使低于屈服点也会产生塑性变形，即为蠕变）；韧性断裂：金属材料在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂；脆性断裂：金属材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂；疲劳断裂：金属材料在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂；腐蚀：材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使材料发生损坏或变质的现象；磨损：当材料的表面相互作用或材料表面与流体接触并发生相对运动时，由于物理或化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程。
2、列举弹性变形失效及塑性变形失效的例子，总结两种变形失效的特征及预防措施。
答：弹性变形：压力容器安全阀弹簧失去了变形可逆性、应力与应变的单值对应性极小变形量的弹性变形特点时，安全阀就不能在规定的范围内作用，当容器超负荷工作时，就会导致压力无法外泄，可能导致整台容器变形，甚至爆炸；特点：弹性构件失效，容器变形；采用弹性模量高的材料，改进承载结构。
塑性变形：锅炉受热面管子及蒸汽管道由于实际操作的短期超温及长期超温，往往造成管子蠕胀及爆破为塑性变形的典型例子；特点：长时间的恒温、恒应力，组织结构改变；从设计、制造、操作等环境降低实际应力。
3、如何区别韧性断裂及脆性断裂？分析两种断裂失效产生的原因及预防断裂的措施。
答：韧性断裂之前金属材料产生显著的宏观塑性变形，而脆性断裂却很少或没有宏观可见变形；韧性断裂：缓慢的塑性变形与裂纹同时发生过程一般不会造成严重事故；在设计时要充分考虑构件的承载能力实际操作时应在规定范围内运行，注意构件及设备异常变形；脆性断裂：快速断裂，没有可见塑性形变形，没有前兆的断裂，危险性很大；构件的最低工作温度应高于材料脆性转变温度，选材时不仅要考虑材料的强度，而且要考虑其韧性，并减少构件的应力集中，尽量消除残余应力。
材料失效分析
材料失效分析概论随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的重视。
为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械构件的失效（断裂）现象进行了大量的分析和研究，日益完善了失效分析技术及其基本理论。
应用失效分析技术——可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及质量管理等方面工作；同时失效分析技术又是制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依据之一。
大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发展，都具有极其重要的作用。
一、失效的概念所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。
亦可称为故障或事故。
一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据：（1）零件完全破坏，不能工作；（2）严重损伤，继续工作不安全；（3）虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。
上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。
二、失效的形式机械零部件最常见的失效形式有以下几种：1．断裂失效：通常包括塑性（韧性）断裂失效；低应力脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应力腐蚀断裂失效。
2．表面损伤失效：通常包括磨损失效；腐蚀失效；表面疲劳失效3．变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效同一种零件可有几种不同失效形式。
例如，轴的失效，可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形（弹性失稳）。
究竟以什么形式失效，决定于具体条件下，零件的哪种抗力最低。
因此，一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导失效的。
但它们可以组合为更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。
三、失效分析失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及变形等失效现象的特征及规律，并从中找出产生失效主要原因的一门新的学科或分析技术。
也称之为故障分析或事故分析等。
失效分析是门多学科的边缘科学，它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。
过程装备基础总结复习资料
过程装备基础总结复习资料随着社会的不断发展，科技的不断进步，工业生产的规模也日渐庞大。
而工业生产的核心就是过程装备。
所谓过程装备，就是指用于产生、加工、转运、储存和检验各种物质和能量的各种装备。
本文将会对过程装备的基础知识进行总结复习，以帮助读者更好地理解并掌握这一领域。
一、基础概念1.1 过程装备的基本概念：过程装备是指产生、加工、转运、储存、检验各种物质和能量的各种装置、设备。
1.2 过程装备分类：可以从过程功能上分类，分为发生、加工、转运、储存和检验等五大类。
也可以从物理特性上分类，分为气体、液体和固体三类。
在工业生产中，最常见的是流体处理装备。
二、流体的基础知识2.1 流体力学原理：流体力学是研究流体运动、力学特性及其变化规律的学科。
其中，研究流体的内部运动称为内流动。
研究流体在静止状态下的接触力、离开力与摩擦力称为流体静力学；研究流体运动时，流体内部的各种因素相互作用称为流体动力学。
2.2 流体力学的基本参数⑴流体的连续性：指质点受到保守力决定的运动过程中质点数是守恒的。
⑵流体的牛顿力学：流体与固体有本质的区别，主要在于小角度下，流体不会产生应力。
因此，牛顿的力学公式可以用来计算流体运动。
2.3 流体的常见参数⑴压力：任何物体都存在着某种形式的压力。
流体压力是指流体对其容器壁的压力。
流体压力可以用于测量流体的深度。
⑵流量：流量是指单位时间内通过管道或开裂的液体或气体的体积。
它通常用升/秒或立方英寸/分钟表示。
⑶涡度：涡度是流体动量的旋转强度。
它是衡量流体旋转的强度和方向的物理量。
三、过程装备的基本概念发生设备包括各种炉、炉窑、反应釜、发酵罐等，用于化学反应、发酵、物料加热、燃烧等过程中的产生或加热。
3.2 加工设备加工设备有各种机械、加工中心、数控机床等，主要用于物料的成型、切割、焊接等过程。
3.3 转运设备转运设备包括各种管道、阀门、输送带等，用于物料的输送、转移、控制等过程。
3.4 储存设备储存设备包括各种罐、仓、库等，用于物料的存储和保管。
机械零件的失效与选材
机械零件的失效与选材1. 引言在机械工程中，机械零件的失效和选材问题一直备受关注。
机械零件的失效可能导致设备的故障和生产线的停工，造成重大经济损失。
因此，正确选择合适的材料是确保机械零件正常运行和延长寿命的关键因素。
本文将介绍机械零件失效的主要原因以及选材时需要考虑的因素，并提供一些常见的机械零件选材指南。
2. 机械零件失效的主要原因机械零件失效的主要原因可以归结为力学失效、热失效和化学失效等几个方面。
2.1 力学失效力学失效是指机械零件在受到外部载荷作用时发生的破坏。
常见的力学失效形式包括拉伸断裂、扭转断裂、疲劳断裂等。
拉伸断裂是指材料在受到拉伸载荷时发生的断裂。
这种失效通常发生在零件或材料的强度达到极限时。
拉伸断裂的原因可以是材料强度不足、缺陷存在、应力集中等。
2.1.2 扭转断裂扭转断裂是指材料在受到扭转载荷时发生的断裂。
与拉伸断裂类似，扭转断裂的原因也包括材料强度不足和缺陷存在等。
疲劳断裂是指材料在受到循环载荷作用下发生的断裂。
疲劳断裂是机械零件失效中常见的形式之一，它的发生与材料的强度、缺陷、外载荷频率等因素有关。
2.2 热失效热失效是指机械零件在高温环境下发生的失效。
高温环境会导致材料的力学性能下降、热膨胀等问题，从而影响机械零件的正常使用。
2.3 化学失效化学失效是指由于机械零件与介质（如酸、碱、氧化剂等）发生化学反应而导致的失效。
化学失效可能包括腐蚀、氧化、氢脆等问题，对机械零件的材料选择提出了更高的要求。
3. 机械零件选材的考虑因素在选择机械零件的材料时，需要综合考虑多种因素，包括机械性能、化学性能、热性能、加工性能等。
3.1 机械性能机械性能是选择机械零件材料的重要考虑因素。
常见的机械性能指标包括材料的强度、硬度、韧性、刚度等。
不同的机械零件所受到的力学载荷不同，因此在材料选型时需要根据实际应用场景的要求，选择具备合适机械性能的材料。
3.2 化学性能化学性能对机械零件的寿命和使用环境至关重要。
过程装备的失效分析技术压力容器安全课件
疲劳失效的断口特征
箭头 萌生区 A 疲劳扩展区 B 瞬断区 C 剪切唇区
疲劳失效
三、断口特征
• 宏观特征：断口比较平齐光整；断口上有明显的分区。 • 三个区域：萌生区或原始缺陷区、疲劳扩展区和瞬断区。 • 每一循环就在断口上留下一条辉纹，因此从辉纹间测 得的间距大体可以计算出疲劳扩展速率。
3.1 强度理论简述
应力计算
P P
A
平均应力
P
A
强度理论简述
材料性能和许用应力的确定
σs σb
＝ i
n安
强度理论简述
建立强度条件
•应力计算 •许用应力的确定 •建立强度条件
强度理论简述
强度理论核心
不考虑安全系数
b
3.2 影响强度不足的因素
• 载荷变化：误操作，意外情况等 • 材料强度变化：材质问题、超温、材料劣化损伤等 • 承载截面变化：腐蚀引起的整体或局部减薄等
4.1 断裂力学简述－断裂判据
有裂纹结构
KI KIC
KIC材料性能参数
无裂纹结构 强度理论：
或
b
应力强度因子
• Stress intensity factor
形状系数
由Irwin等1957 年导出。Kies 的缩写，Irwin 的同事。
KI Y a
裂纹尺寸 载荷因素
弹性力学
线弹性断裂力学
韧性破坏断口的显微形貌特征
脆性破坏断口的显微形貌特征
4.断裂（有缺陷结构）
4.1 断裂力学简述 4.2 影响结构断裂的因素 4.3 破坏的特点 4.4 缺陷产生的原因 4.5 防止措施
4.1 断裂力学简述
有裂纹结构
，
无裂纹结构 应力分布均匀：
过程装备基础智慧树知到答案章节测试2023年昆明理工大学
绪论单元测试1.过程工业是以改变物料的化学和物理性能为主要目标的加工业。
A:错B:对答案:B2.过程工业是以改变物料的化学性能为主要目标的加工业。
A:错B:对答案:A3.过程装备是实现过程工业生产的硬件设施。
A:对B:错答案:A4.过程装备是实现过程工业生产的硬件和软件设施。
A:错B:对答案:A5.那些加工制造“流程性材料”产品的现代制造业统称为（）。
A:过程工业B:基础工业C:重工业D:轻工业答案:A6.（）主要是指过程工业生产中实现特定工艺过程的典型装置或设备。
A:工艺装置B:过程装备C:技术设备D:生产设备答案:B7.过程工业处理的物料是：（）A:气体B:液体C:粉粒体D:固体答案:ABC8.过程工业的主要特点是：（）A:原料为自然资源B:产量取决于生产规模和装置C:多半为连续生产D:涉及物质转化过程答案:ABCD9.随着过程工业的发展，过程装备的发展方向是：（）A:结构复杂化B:技术综合化C:装置大型化D:性能高级化答案:ABCD10.为满足安全、高效和低成本的生产要求，过程装备的基本要求是：（）A:安全可靠B:满足生产需要C:综合经济性好D:环境性能好答案:ABCD第一章测试1.保证构件正常工作具备足够强度的条件称为（）。
A:刚度条件B:力学条件C:强度条件D:稳定性条件答案:C2.根据工程中构件的几何形状和几何尺寸，构件的种类包括（）。
A:板B:壳C:体D:杆答案:ABCD3.工程力学中将受力分析的对象统称为构件，构件可以是组成过程装备的零件、部件或过程装备的整体。
（）A:错B:对答案:B4.为了使工程中的构件在外力作用下能够安全可靠工作，只需要满足强度条件。
（）A:错B:对答案:A5.为了使工程中的构件在外力作用下能够安全可靠工作，只需要满足刚度条件。
（）A:错B:对答案:A6.为了使工程中的构件在外力作用下能够安全可靠工作，只需要满足稳定性条件。
（）A:对B:错答案:B7.强度是指构件在外力作用下抵抗破坏的能力，一般情况下，绝不允许构件的强度不足。
《过程失效模式分析》课件
汽车制造业的应用案例
总结词
汽车制造业是过程失效模式分析应用的重要领域，通过分析生产过程中的潜在失效模式，提高产品质量和安全性 。
详细描述
在汽车制造业中，过程失效模式分析被广泛应用于发动机、底盘、电气系统等关键部件的生产过程中。通过识别 潜在的失效模式，如焊接缺陷、紧固不良等，企业可以采取相应的控制措施，确保产品质量和安全性。此外，这 种分析方法还可以帮助企业优化生产流程，降低生产成本。
电子产品制造业的应用案例
总结词
电子产品制造业是高风险行业，过程失效模式分析有助于识别潜在问题，提高产品可靠 性和降低维修成本。
详细描述
在电子产品制造业中，如手机、电脑、家电等产品的生产过程中，过程失效模式分析有 助于发现潜在的设计、生产和组装缺陷。通过对失效模式的深入分析，企业可以针对性 地改进设计和生产工艺，提高产品的可靠性和稳定性。这不仅可以减少产品维修和退换
《过程失效模式分析 》ppt课件
目录
• 引言 • 过程失效模式分析的基本原理 • 过程失效模式分析的方法 • 过程失效模式分析的应用案例 • 过程失效模式分析的未来发展 • 结论
01
引言
什么是过程失效模式分析
过程失效模式分析（Process Failure Modes and Effects Analysis，简称PFMEA）是一种预防性的质量工具，用于评 估制程或流程中潜在的失效模式及其对产品或服务的影响。
它通过系统地分析制程或流程中可能发生的失效模式，评估 其发生的可能性、严重性以及可探测性，从而确定制程或流 程的薄弱环节，并制定相应的改进措施。
过程失效模式分析的重要性
提高产品质量
通过提前发现和预防潜在的失效 模式，降低产品或服务在制程或 流程中的缺陷和故障，从而提高
机械零件的失效与选材原则
机械零件的失效与选材原则引言在机械设计过程中，零件选材是至关重要的一步。
选用合适的材料可以保证零件的性能和可靠性，而错误的选材则可能导致零件失效。
本文将探讨机械零件常见的失效模式及其原因，并介绍一些选材原则，以帮助设计师在选择合适的材料时做出明智的决策。
机械零件失效模式1.疲劳失效：机械零件在长期循环加载中，由于应力集中、不均匀载荷等原因，会导致材料发生疲劳损伤，最终导致零件疲劳失效。
2.断裂失效：机械零件在过载、过应力等条件下，无法承受外部载荷或应力，导致零件发生断裂。
3.磨损失效：机械零件与其他零件或介质摩擦磨损，长期使用导致零件表面磨损严重，最终影响零件的性能和寿命。
4.腐蚀失效：机械零件在特定环境下，如高温、潮湿等条件下，会发生腐蚀失效，导致零件的材料结构发生损坏或氧化。
选材原则1.强度与刚度：根据零件的工作条件和要求，选择具有足够强度和刚度的材料，以确保零件能够承受外部载荷和应力而不发生失效。
2.耐磨损性：对于需要与其他零件或介质发生摩擦的零件，选择具有良好耐磨损性的材料，以延长零件的使用寿命。
3.耐腐蚀性：在特殊环境下工作的零件，如在潮湿、酸性或碱性环境中，选择具有良好耐腐蚀性的材料，以防止零件发生腐蚀失效。
4.可焊接性：对需要焊接的零件，选择具有良好可焊接性的材料，以确保焊接接头的质量和可靠性。
5.成本与可靠性：在选材过程中需要权衡成本与可靠性之间的关系，选择既能满足要求又能控制成本的材料。
6.环保性：在今天的可持续发展背景下，选择符合环保要求的材料，如可回收利用的材料等。
常用机械零件材料1.金属材料：常见的金属材料有钢、铝、铜、镁等。
钢材具有高强度、高硬度和耐磨损性，适用于承受大载荷和高温的零件；铝材具有轻巧、良好的导热性能和电导性能，适用于需要减轻重量和散热的零件；铜材具有良好的导电性能和可加工性，适用于电气连接零件；镁材具有轻巧、高比强度和可耐高温的特点，适用于需要减轻重量的零件。
金属零部件失效的4要素
金属零部件失效的4要素金属零部件的失效是指在使用过程中，所处于不适宜的工作状态下，零部件无法继续履行其原有的功能和性能。
这不仅会导致设备的损坏和停机，还可能对生产线的安全性和效率造成严重影响。
因此，了解金属零部件失效的4要素，对于提高设备运行的可靠性和延长零部件的使用寿命至关重要。
首先，材料是金属零部件失效的关键要素之一。
不同材料的性能和耐久性存在差异，因此在选择材料时必须考虑到工作环境和零部件的功能需求。
材料的选择不合理或者使用了劣质的材料会导致金属零部件的失效，例如脆性材料容易断裂，耐蚀性差的材料容易受到腐蚀。
其次，应力是金属零部件失效的另一个重要因素。
不合理的应力分布会导致零部件的形变和应力集中，从而降低零部件的强度和耐久性。
应力主要通过外部载荷和温度变化等因素引起，因此设计和制造过程中需要合理考虑零部件的应力分布，避免过大或者不均匀的应力造成失效。
此外，表面质量也是影响金属零部件失效的一个重要因素。
金属零部件在使用过程中经常会接触磨损、腐蚀、氧化等环境，如果表面质量不合格，容易导致零部件受到腐蚀、磨损和疲劳，从而引起失效。
因此，在制造过程中必须注意控制表面处理技术，提高零部件的表面质量，增强其抗磨损和耐腐蚀性能。
最后，使用条件是金属零部件失效的关键因素之一。
金属零部件在不同的工作环境中，所受到的温度、湿度、压力等因素都会对其性能产生影响。
如果使用条件超出零部件的设计范围，往往容易引发失效问题。
因此，在使用金属零部件时，必须遵循使用规定，正确安装和维护零部件，保持良好的工作环境，提升零部件的使用寿命和可靠性。
综上所述，金属零部件失效的4要素包括材料、应力、表面质量和使用条件。
通过正确选择材料、合理设计和制造、优化表面处理技术以及注意使用条件，可以有效降低金属零部件的失效风险，延长其使用寿命，提高设备的可靠性和安全性。
第6章 过程装备失效与材料的关系
脆断的原因
3）尺寸效应 当钢的洁净度不够高时，同一种钢的韧性受厚度影响 较大。
4）焊接质量 焊接缺陷一般有：夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹 等，而其中焊接残余应力与裂纹的存在对焊接构件的 断裂起着重要的作用 5） 工作介质 金属构件在腐蚀介质中，受应力(尤其拉应力)作用 ，同时又有电化学腐蚀时，极易导致早期脆性断裂 6）材料本身及组织结构 脆性材料、质量差、氢脆、缺口敏感等；不良热处 理的淬火裂纹等
（1）零构件发生过量弹性变形失效：
Δl ≥ [Δl] (拉压或者弯曲条件下）
或者 θ ≥ [θ] （扭转条件下）
（2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够
（3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
（ E取决于原子本性，热处理工艺无法改变）
塑性变形失效：材料产生的塑性变形量超过允
许的数值，产生过量的永久形变
蠕变：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即
使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形的现象
蠕变变形失效：蠕变变形变形量超过规定要求的
失效
3. 变形失效的原因及改进措施
弹性变形失效 ¡ 选择合适的材料(如高弹性模量材料) ¡ 改进结构（如增加承载面积、降低应力水平） ¡ 匹配材料及设计
塑性变形失效 ¡ 降低构件实际应力 ¡ 选择高屈服强度材料和合适的热处理工艺规范
高温蠕变变形失效 ¡ 选用抗蠕变性能合适的材料 ¡ 防止装备中构件的超温
小结
零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G 零构件发生过塑性变形的原因：强度不足 抗力指标：比例极限σp、弹性极限σe、屈服强 度σs和抗拉强度σb
工程材料之过程装备失效与材料的关系(ppt 74页)
过程装备失效与材料的关系
表面损伤（腐蚀与磨损）
• 腐蚀 • 腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使
材料发生损坏或变质的现象。随着过程装备的大型化 及向高压、高温、高流速开拓，材料的腐蚀更显严重 。腐蚀造成的损失是巨大的。 • 据统计，全球工业装备因腐蚀而产生的经济损失占全 球生产总值的2％～4％，中国腐蚀经济损失占国民生 产总值4％。目前每年有30％的钢铁因腐蚀而报废， 其中10％不能回收。在化工、石油、轻工、能源等行 业2019中/9/1，3 约60％的装备失效与腐蚀有关。
• ② 缺口效应与应力集中。 • 在缺口的根部及其附近有高的峰值应力和形成应力集中区。
缺口效应大大降低材料的疲劳强度。 • 材料的抗拉强度愈高，缺口对疲劳强度削弱愈大，高强度材
料削弱最严重。因此构件应避免应力集中，缺口结构设计一 定要考虑疲劳断裂问题，避免选用缺口敏感的材料。
断裂失效
• ③ 残余应力。
过量的塑性变形使构件的承载截面积减小，降低承 载能力；且塑性变形时金属内部组织结构发生变化， 晶粒歪扭，亚晶结构形成，个别部位出现裂纹及扩 展。材料过量的塑性变形会引起构件的歪扭、弯曲、 薄壁壳的鼓胀及凹陷等变形特征。
变形失效
在高温下的蠕变变形失效 • 金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，应力低于屈
断裂失效
脆断的原因
1） 应力状态与缺口效应
σmax /τmax
愈大，脆性断裂的可能性愈大
z
z
x
x
zx zy
xz yz
xy
yx
yy
τ max
第6章 过程能力分析
4、单侧公差，只规定下限标准时，工序能力指数： Cp下=（μ-TL）/ 3σ= （μ-TL） / 3 S 注意：当μ≦TL时，则认为Cp下=0。 例： 某金属材料抗拉强度的要求不得少于32kg/cm2 ，抽样后 测得：平均值为38，S为1.8，求工序能力指数。 Cp下=（μ-TL）/ 3σ= （μ-TL） / 3 S =（38-32）/（3*1.8）=1.11 例：某工厂生产某种绝缘件，要求耐压不低于120伏。从 某月生产的产品中抽取125件样品进行试验，由试验数 据计算出：平均值=4000伏，s=660. 根据公差为单侧下限要求时的计算公式，可计算 出： Cp=（4000-1200）/（3*660）=1.414
二、过程能力与过程性能
过程性能——长期过程能力 过程能力——短期过程能力 过程性能是指未被证明处于统计受控状 态的过程特性的输出的统计度量。
三、影响过程能力的因素
操作者 原料
设备
工 序 能 力
方法
环境
如工序质量特性值X的数学期望是μ，标准差为， 则工序能力为 B=6 其中： = 2 2 2 2 2 2
ε ∣ M -μ ∣
例1：设零件的尺寸要求（技术标准）是Φ30± Cp=1.095，求Cpk。 M=(30.023+29.977)/2=30 T=30.023-29.977=0.046 M-平均值=30-29.997=0.003
0.023
，
随机抽样后计算样本特性值为平均值=29.997，
Cpk=Cp（1-K）=1.095*（1-0.003/0.023）=0.952
第六章
过程能力分析
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第一节 过程质量的两种波动
产品质量波动是生产中的客观存在的一种现实。 即使是按相同的产品标准、材料标准、工艺标准，在 同一时期内由同一生产工厂制造的同一品种、规格、 型号的产品，也总是存在差别。 工序质量在各种影响因素的制约下，呈现波动性。 工序质量波动包括产品之间的波动、单个产品与目标 值之间的波动。工序质量波动可分为正常波动和异常 波动两类。
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磨粒嵌入金属 表面，切割金 属表面
表面被划 伤
（4）防止措施
提高表面硬度（从选材方面）； 减少磨粒数量（从工作状况方面）。
接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：
（1）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交 变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的 现象。 （2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。 （3）主要防止措施 提高材料硬度；提高材料纯度；
b、断口的显微形态 韧性断裂的微观断口常见韧窝及蛇形花样
3)韧性断裂的原因及改进措施 韧性断裂往往因材料受到较大的负荷 或过载所引起。 选用强度较高的金属材料，设计时充 分考虑构件的承载能力，实际操作中严 禁超载、超温、超速，注意构件及设备 异常的变形，对防止韧性断裂发生都是 有效的。
三)、脆性断裂 金属材料在断裂之前没有发生或很少发生宏 观可见的塑性变形的断裂叫做脆性断裂
2 过量塑性变形及抗力指标
（1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量
（2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性 变形的能力不够
（3）抗力指标：比例极限sp 弹性极限se 屈服强度ss
§5-1 节中所 讲的材 料的力 学性能 指标及 应用
刚度：刚度设计中，考虑构件 在受力时发生的弹性变形量。 主要力学性能是材料的弹性模 量。如精密机床主轴等零构件
1 零件（构件或设备）的功能 （1）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的 形状和尺寸；完成传热、传质等。 （2）实现规定的机械运动； （3）传递力和能。
2 失效的定义和形式 定义: 零件、设备失去设计所要求的效能 （功能）称为失效。 常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损与 腐蚀
一、变形失效
1 过量弹性变形及抗力指标
问 题 ① 什么是疲劳断裂？ ② 疲劳断口由哪几个部分组成？ ③ 疲劳抗力指标有哪些？在设计中 如何使用这些指标？
1）、基本概念
① 交变载荷：载荷大小和方向随时间发
生周期变化的载荷。 ② 疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长 时间工作而发生断裂的现象成为疲劳 断裂。 ③ 疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹 扩展、最后断裂。
疲劳极限
条件疲劳 极限
图1－11 两种类型的疲劳曲线 a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）
过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用 下发生疲劳断裂的循环周次。 高周疲劳：Nf>105
低周疲劳: Nf<105
② 带裂纹构件的疲劳抗力指标
裂纹扩展速率（da/dN) 疲劳裂纹扩展门槛值(DKth）
1)脆性断裂的特征 脆性断裂是一个快速断裂的过程。没有 可见的塑性变形，由于没有变形先兆， 危害性很大。 2)脆性断裂的断口形态 a.断口的宏观形态 脆性断裂的断口一般与正应力垂直， 宏观表面平齐，颜色光亮。
b.
断口的显微形态 脆性断口的微观形态常见解理台阶与 河流花样、舌状花样、鱼骨状花样等
韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌
基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。 提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，与氧结 合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。
② 电化学腐蚀
条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相互 联通的电介质溶液中形成微电池。
电化学腐蚀的过程
阳极：失去电子，MM n++ne(被腐蚀） 阴极：发生析氢反应或者吸氧反应
§6-1 金属材料常见失效形式及其判断
问题
什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性 变形的原因是什么? 设计时应选择什么 性能指标? 发生过量塑性变形的原因是 什么?抗力指标有哪些? 断裂失效的分类 ；韧性断裂、脆性断裂、 疲劳断裂的特点？原因？ 表面损伤 ——腐蚀、磨损的机理？
关于失效的基本概念
③ 影响疲劳抗力的因素
a. b. c. d. e. 载荷类型 材料本质 零件表面状态 工作温度 腐蚀介质
总 结
疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是 一种脆性断裂，危害很大。
无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲 劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。 工作应力s<疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。 工作应力s>疲劳极限，构件在一定的周次下断 裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大， 过载持久值越低。 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹 扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判 断是否发生疲劳断裂。
合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类 材料； 提高表面硬度；
合理设计减小接触压应力； 减小表面粗糙度。
磨粒磨损：
（1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件
表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变 形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致 零件表面逐渐损耗的一种磨损。
（2）过程
金属表面 发生局部 塑性变形
①
材料韧脆转变温度TK的确定和应用
6)、断裂韧性及衡量指标
① 断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断裂的力学性 能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 ② 单位：MPa· m 1/2 或者 MN ·m-3/2
③ 应用（判断构件是否安全，合理选材） KI < KIC 构件安全 KI >KIC 构件发生脆性断裂 KI ＝KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件 ④ 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和 火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、 大型发电机转子等。
粘着磨损： （1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦 幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑 动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来 或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。
滑动
（2）过程
局部粘着
粘着处 被撕掉
金属表面被 划伤或者金 属屑粒脱落
（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。
（4）防止措施
韧性 断口
脆性 断口
3) 产生脆性断裂的原因
A,应力状态与缺口效应 B,温度 C,尺寸效应 D,焊接质量 E,工作介质 F,材料和组织因素
4)防止脆性断裂的途径
传统设计不包含脆性强度概念，没有考 虑缺陷大小、温度、加载速度、构件尺 寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂 的因素。 防止脆性断裂的合理结构设计 :材料的断裂
1、接受任务，明确要求
在接受失效分析任务时都应明确以下问题： 1)明确分析的对象；2)明确分析的目的和要求。 2、调查研究 调查的内容有如下几个方面：1)现场调 查：失效件材料损伤情况、外观检查与拍照、 事故发生过程及对周围事物的影响；选取失效 分析试样并妥善保存，尤其要保护好断裂失效 件的断口；2)收集失效件的背景资料：工况、 环境条件、运行历史；3)收集工程设计、选材、 供材与制造检验的原始资料；4)了解操作者的 人为因素及生产管理等。
表6－1
断裂的分类
二)、 韧性断裂
在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂叫 做韧性断裂。
1)韧性断裂的特征 韧性断裂是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与 裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、 速度慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当多的 能量。 2)韧性断裂的断口形态 a. 断口的宏观形态 韧性断裂的宏观断口可分为三个区域：即纤维区、放 射区和剪切唇区
提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。
总结
磨损是机械零件常见的一种失效形式， 总是从零件表面开始发生。各种磨损的 过程和机理不同，因此其主要的预防措 施也不同。 提高零件表面硬度，合理设计减小压应 力，以及提高表面光洁度等对降低磨损 都有利。
二）腐蚀失效
①
②
③ ④
问 题 什么是腐蚀？可分为几类？ 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热 钢为什么具有抗高温氧化能力？ 发生电化学腐蚀的条件是什么？ 改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么
三、表面损伤（磨损、腐蚀）失效
一）磨损：
主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生 过程、机理以及防止措施。 1）、磨损的基本概念 ① 产生磨损的条件: 材料的表面相互接触或材料表面
与流体接触并作相对运动
② 磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸、 形状变化和物质耗损的现象叫做磨损。
2）、磨损的过程和机理
韧性水平、构件的最低工作温度和构件的应力状态， 承受的载荷类型(交变载荷、冲击载荷等)以及环境腐 蚀介质。
5)、冲击韧性及衡量指标
冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形 功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综 合表现。 ② 衡量指标：冲击吸收功Ak 冲击韧度ak(ak＝ Ak/Fk ) ③ 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结 合用于一般零件抗断裂设计。 ④ 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)
（1）零构件发生过量弹性变形失效：
Dl[Dl] (拉压或者弯曲条件下） 或者 q [q] （扭转条件下） （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
总 结
零构件发生过量弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G 强 调！
金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热 处理、冷变形等方法改变，即E\G与材料的组织 关系不大。
3）、零件防止腐蚀的措施
对于化学腐蚀，常采用以下方式：选
择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、 陶瓷材料等；零件表面涂层。
对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；
表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂
§6-2
过程装备及其构件失效 的原因和失效分析
一、过程装备及其构件失效的原因
由设计不合理、选材不当及材料缺陷、制造工艺不 合理、操作和维修不当等四方面引起的，也可能是它 们之间的交错影响，要具体分析。
3、失效件的测试 现场测试：变形尺寸、厚度、硬度、现 场金相等； 实验室测试：化学成份、金相组织、材 质缺陷、断口形貌、应力计算或测试、 材料力学性能及理化性能等； 4、失效分析确定失效原因、采取对策