第一章_失效与失效分析的概念

零件的失效及分析
2018年4月
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第一章 失效及失效分析的概念
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本章内容摘要
失效及失效分析的定义； 失效分析的意义和重要性； 机械产品失效的分类； 失效分析的工作内容 ； 失效分析与其他学科、技术间的关系。
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前言
失效与失效分析： 是一门涉及面广、实用性强的实用基础技术。
随着科学技术日益进步，工程失效事件不断发生，失效分析 技术也不断发展，使用的手段也不断完善，人们对失效的认 识也越来越丰富、充实，工程界已将它列为一门学科即机械 失效学（失效学）。
7名宇航员遇难，直接损失12亿 美元，停飞近3年，为人类航天 史上最严重一次载人航天事故。
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失效分析
1.失效分析（Failure Analgsis) 机器零件的失效特别是断裂失效，危及人员生命及财产安全。
为防止失效现象重复发生，提高产品质量，早在20世纪初， 就开始对零、构件失效现象进行系统分析研究。
随着工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器 测试技术的进步，在对大量工程失效现象的行为规律与机理
研究的基础上，逐渐形成了一门新的分支学科，即失效学， 也称失效分析。 失效分析：就是分析失效的原因，研究采取补救和预防措施 的技术活动和管理活动 。
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失效分析的目的：不仅要分析和判断失效原因，更重要找出
失效。在运行期间，在何时、以何方式发生失效是随机事件， 还暂时无法预料。
断裂失效与非断裂失效： 机械零、部件产生断裂是失效－－断裂失效；而因磨损、变
形或腐蚀使零部件尺寸变化等也称失效－－非断裂失效。
断裂失效的灾难性： 机械产品的失效是经常发生的，突如其来的断裂失效带来灾
难性破坏，给生命和财产造成巨大损失。这在国内外工业发 展史上是屡见不鲜的。
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战后开展大量失效原因的分析研究，认识到：
钢的“缺口敏感性”及“钢的低温脆化”。 即碳钢和低合金钢存在脆性转变温度，在低于某一温度就会
变脆（对缺口极为敏感）。
因当时美国船舶技术标准没有对船体钢的“缺口敏感性”和 “低温韧性”提出要求。由此提出了船体钢脆性转变温度的
判据。 钢的低温韧性转变特性：可很好解释焊接结构“自由轮” 、
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二、失效分析的意义和重要性
1）失效分析：要找出失效原因，采取有效措施，使同类失效事 故不再重复发生，可避免极大的经济损失和人员伤亡。
2） 促进科学技术的发展； ① 19世纪工业革命，蒸汽机采用，促进铁路运输，但连续发 生多起因火车轴断裂，列车出轨事故。
大量断轴分析和试验研究表明：裂纹均从轮座内缘尖角处开始。 认识到：金属在交Leabharlann Baidu应力下，即使应力远低于金属的抗拉强 度，经一定循环积累，也会发生断裂，即“疲劳”。
5）失效分析也是仲裁失效事故、开展技术保险业务及对外贸 易中索赔的重要依据。
因此，失效分析在国民经济、科技发展中具有重要作用，在 世界各国均受高度重视，已成为一门新兴的学科。
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§1-2 机械产品失效的分类
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失效的分类
机械零部件（机件）的失效：
机械零件因力（能量）、温度、介质等物理和化学的作用，而
3. 能工作和完成规定功能，但不能确保安全，应更换维修。 如：经长期高温运行的压力容器及其管道，内部组织发生 变化，继续使用存在开裂危险；等。
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“失效”与“故障”
“失效”与“故障”：二个名词概念不同、但又紧密相关。 “系统故障状态”：因个别或少数几个零部件失效，导致机
器、装备或系统无法正常工作，失去应有的功能，此系统就 处于故障状态。 系统故障状态：指局部的、可修复的、暂时的失效。 若经更换或修复已失效零、部件，系统就能恢复正常； 若失效零、部件过多或损伤过重而不能修复或不宜修复，则该 系统完全失效报废。
1980年12月，由中国机械工程学会机械产品失效分析委员会 会议上正式统称为“失效”。
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失效的三种形式
国外资料失效的定义：即失效有以下三种情况。 1. 完全不能工作（完全丧失功能）
如：发动机中曲轴、连杆的断裂；涡轮机叶片突然断裂； 压力容器壳体开裂等；
2. 虽仍能工作，但不能完全规定的功能（功能衰退） 如：发动机气缸套、活塞环严重磨损，间隙增大，发动机 功能降低。
有效的预防和补救措施，以防止同类事故重复发生，它是提
高产品的可靠性、寿命的一项积极的工作。即为“坏事变为 好事”。
失效分析的重点： 1.分析失效的原因－－即所谓 “失效诊断” 。 2.采取相应预防和补救措施－－即 “失效对策” 。
失效分析的依据：
1.机械产品的性能参数； 2.机械零件、设备和系统的可靠度分析（数理统计）资料； 3.机械零、部件的失效残骸。
均为应力腐蚀造成。
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3）促进机械产品质量和安全可靠性的提高： 零件失效：与设计、选材、制造、检验、安装等过程相关； 通过失效分析，不断地将失效原因、预防措施等反馈到设计 有关部门，进行相应改进，促进产品质量和可靠性提高。 A. 向设计部门反馈：改进产品设计，完善技术规范； B. 向制造部门反馈：改进生产工艺，创制和推广新工艺。 C. 向材料部门反馈：合理化选材，开发和研制新材料； D. 向用户反馈，健全和完善使用、维修制度。
为今后顺利地进行失效分析工作打下一定的基础。
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§1-1 失效及失效分析的定义 意义和重要性
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一、失效及失效分析的定义
1.失效（Failure) 机械零件、设备、装备或系统－统称为机械产品。 任何机械产品都为完成某种规定的功能而设计的，也即各种
机械产品都具有一定的功能。 如：轴类、弹簧等零件－－传递力、能量或承受载荷等；
失效分析：提高机械产品质量、创建名牌产品的必由之路。
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4）失效分析是制订或修改技术标准提供的依据： 如：美国制造“自由轮”的船用钢板，当时未提出韧性要求； 脆性断裂失效分析结果规定：对船用钢板提出韧性要求：15 英尺•磅。 而英国在此基础上，收集大量试验数据，规定了在工作温度 下，船用钢板的韧性：15～35英尺•磅。
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重大失效案例
1944年10月20日，美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气储储 藏基地，一台直径21.3m，高12.8m的圆筒形储气罐，由于在 1/3～ 1/2的高度处壳体破裂而喷出气体和液体，随后爆炸起火， 20min后，另一台内径为17.4m的球罐因受热倒塌而爆炸，由 此造成128人死亡，当时经济损失达680万美元。
1984年12月3日凌晨，在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司 所属一家化工厂，因安全装置失灵，系统升压导致储罐管路 破裂，泄出大量毒气，造成2500人死亡。
该市50万居民中有20万受到毒气侵害，其中2万人需住院治疗。 后来美国公司赔偿150亿美元的损失费。
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重大失效案例
1986年1月28日11时39分12秒 （美国东部时间），美国“挑战 者”号航天飞机，从佛罗里达州 肯尼迪航天中心，第10次发射升 空后73秒钟，到10英里上空，因 助推火箭发生故障，突然爆炸， 航天飞机被炸成碎片坠入大西洋。
1979年9月7日，中国某化工厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使 10t液氯外溢扩散，波及范围7.25Km2，致使59人死亡，779人 中毒，当时统计的直接经济损失达63万元。
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重大失效案例
1980年3月27日，北海的石油钻探船Alexander Kiellang号，由 于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆， 损失达几千万美元。
“疲劳断裂”成为金属材料强度学中的一个重要领域，设计疲 劳试验机，确立“疲劳极限”的概念，提出抗疲劳设计方法。
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② 二战期间，美国有4694艘焊接结构 “自由轮” ，有1289艘 发生不同程度失效。
其中：238艘断成两截或严重损坏而报废； 19艘沉没； 24艘甲板完全断裂。
事故多发在美国－冰岛－英国的北大西洋低温寒冷航线上。
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“失效”与“事故”
“失效”与“事故”： 因个别零件失效而引发系统中其他零、部件或子系统发生快速 破坏，以致系统发生损失严重的整体失效，即“事故”。
“事故”－－强调的是后果，即造成的损失和危害； “失效”－－强调的是机械产品本身的功能状态。 “失效”和“事故”： 两者有一定因果关系，但并无必然的联系。 “事故”：可由“失效”引起的，也可其他原因造成的。
钢制桥梁、压力容器、管道等在低温下工作的失效。
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③ 40～50年代，美国发生数起电站设备的飞裂及英国皇家 空军飞机坠毁事故。
失效分析表明：钢中的氢（H）及夹杂物的有害作用。
奠定了钢的氢脆基本理论，为此发展了碱性和真空冶炼技
术，促使冶金技术的发展。
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④ 大型化工设备不锈钢零、部件断裂失效，受到关注。
发电机－－使热能或其他形式的能量转变为电能； 汽车－－主要需安全、高速、低油耗、少污染、舒适等。
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一、失效及失效分析的定义
机械产品在服役中，因应力、时间、温度、介质和操作失误 等因素的作用，常有失去其原有功能的现象。
机械产品丧失其规定的功能的现象－－称为失效。 “失效”是一个技术名词，曾被称“事故”、“故障”等。
失效分析认识了金属在其敏感介质系统中，存在各类应力 腐蚀开裂行为，并研究其产生机理。
如：1965～1966年间，美国登月计划，用Ti-6Al-4V钛合金 制成压力容器曾发生多起应力腐蚀断裂。
此外，锅炉钢“碱脆”，黄铜弹壳的“季裂”； 镁合金飞机构件存放期间的开裂； 核反应堆冷却系统奥氏体不锈钢的开裂等
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失效的分类方法
失效的分类方法：也是多种多样的。
为便于失效的研究、分析和事后处理，失效按以下三种方法 分类：
1、从技术观点分类：便于对失效进行机理研究、分析诊断和
采取预防对策。
2、从质量管理观点分类：便于管理和反馈； 3、从经济法观点分类：便于事后处理。
本书将主要讨论从技术观点的分类。
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“失效”与 “废品”
“失效”与“废品”：两名词含义不同。 “废品”：指不符合技术规范、标准或图纸要求、而又不
宜返修的产品或零件。 “废品”：不具基本功能、尚未投入使用的零件或产品，
故就不存在丧失功能的问题。 但漏检的废品，可能在使用中产生失效。
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失效的随机性： 早期适应性运行及晚期耗损达到寿命而失效，属可预料正常
机械失效学：研究机械产品（装备）的失效理论、失效诊断 技术和失效预测预防方法及其应用一门学科。
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失效学：是一门边缘交叉的、综合的新兴学科，它与多种学 科、技术相关，与基础学科相结合，形成不少边缘学科。
如：失效学 ＋ 物理学 －－→ 失效物理学；
失效学 ＋ 力 学 －－ →失效力学(损伤力学）；
失效学＋ 数 学 －－→可靠性数学 等。
失效分析：是一门跨学科的综合性技术，它涉及的知识广泛， 与许多应用学科和技术密切联系；
它是以机械产品为对象，故也称为：机械产品的失效分析。
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机械产品（机械零件、设备、装置）的失效分析，在工业生 产和工程建设中具有重要的实用价值。
机械产品由于在材料选用、设计、制造、使用、维修及人为 操作等原因常发生失效，轻则须更换零件、重则导致严重事 故，造成人员伤亡和经济上重大损失。历史上曾有如： 列车因车轴、车轮的断裂而出轨或倾覆； 大型轮船因船体断裂而沉没； 大型压力容器、锅炉的爆炸； 大型电站转子的飞裂；桥梁的断裂； 飞机因发动机、机翼等零件的失效而坠毁； 海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没。
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一、从失效分析技术观点分类
一、从“失效分析技术”观点分类：
逐渐发生尺寸、形状、状态或性能的变化，并以特定的表现 形式丧失其规定的功能。
特定的表现形式：即各种“失效形式”或“失效类型”。 显然，不同物理和（或）化学过程对应着不同的失效形式。 零件失效形式：受多种因素影响，其失效形式也很复杂。 为揭示同类失效形式的本质，比较和鉴别各类失效形式，对
各种失效形式进行科学的分类是必要的。
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特别是：大量通用的、关键的、基础零、部件地大量早期失 效，严重影响了机械产品的质量和寿命，因此需要有更多的 人从事失效分析工作，重视和搞好产品的失效分析，这对提 高机械产品的质量，将起深远的影响。
本选修课目的：普及失效分析的基础知识，提高材料技术人 员的失效分析水平。通过学习
1. 了解失效分析的基本概念； 2. 掌握失效分析的思路与方法； 3. 熟悉典型机械产品失效的规律与特点；