材料失效分析-第五讲

Disaster of car rapture
失效分析
各类产品由于在材料选用 设计 制造 使 材料选用、设计 制造、使 材料选用 设计、制造 维修及人为操作 用、维修 人为操作 维修 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； 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； 大型轮船因船体断裂而沉没； 大型压力容器、锅炉的爆炸； 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； 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； 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。 海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没。
失效的方式
表面损伤失效 ： • 零件表面损伤失效可由磨损 腐蚀 磨损和腐蚀 磨损 腐蚀而引起的。 • 磨损 腐蚀 断裂 磨损、腐蚀 断裂是工程构件三种主要的失效形式 腐蚀和断裂 三种主要的失效形式。 三种主要的失效形式 • 断裂失效带来危害最大，但当机件表面损伤（磨损、腐蚀 或接触疲劳及复合作用）使机件尺寸变小、光洁度下降， 出现腐蚀坑、麻点、剥落等造成机件精度下降、振动增大， 逐步发展，最终导致丧失功能（即慢性失效），此类损失 也是惊人的。 • 据统计，约有80％损坏的机件是因磨损而报废的。 表面损伤失效： 磨损失效、腐蚀失效 • 表面损伤失效：可分为磨损失效 腐蚀失效。 磨损失效 腐蚀失效
• 1984年12月3日凌晨，在印度博帕尔市的美国 年 月 日凌晨 日凌晨， 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 联合碳化物公司 失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量 储罐管路破裂， 储罐管路破裂 毒气， 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。
材料综合实验
2012-3-14
重大失效案例
1980年3月27日，北海的石油钻探船 年 月 日 北海的石油钻探船Alexander Kiellang 连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全 号，由于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂 连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂 倾覆，损失达几千万美元。
宏观分析
• 宏观分析的目的与意义 • 断裂的宏观分析一般是指用肉眼或放大镜对宏观 断口形貌、断裂位置及裂纹形貌等进行的分析方 法。微观分析一般是指用扫描电镜分析断口或者 透射电镜分析微观组织。对于刚开始从事失效分 析的工作者往往存在一种倾向：即不论何种问题 均进行大量微观分析，而忽视宏观分析。实际上 不同分析各有不同的目的，对某些问题而言宏观 分析可以提供非常重要信息，同时对微观分析有 重要的指导意义，甚至仅进行宏观分析就可以解 决问题，达到简单、快速、可靠的目的。下面举 两个例子说明宏观分析的重要性。
失效的方式
断裂失效： 断裂失效： • • • • 脆性断裂： 脆性断裂：断裂前无或很少发生宏观可见塑性变形。 韧性断裂： 韧性断裂：断裂前产生显著的宏观塑性变形。 疲劳断裂： 疲劳断裂：在交变载荷下，经一定时间后发生断裂。 环境介质引起的断裂、冲击断裂 蠕变持久断裂等 冲击断裂、蠕变持久断裂 环境介质引起的断裂 冲击断裂 蠕变持久断裂 二级失效形式。
失效分析的方法
• 失效分析的方法 • 宏观分析：通过宏观手段和测试方法（如断口宏 宏观分析 观分析、成分分析、侵蚀、无损检测、性能测试 等）初步确定失效的类型（腐蚀、磨损、疲劳 等），初步判断失效的原因。 • 微观分析 微观分析：通过材料微观特征的分析（SEM、TEM、 XRD、OM等），结合宏观分析确定材料失效的具体 原因，并给出结论和景分析——了解失效零件的材质、制备工艺、应用 背景分析 背景、使用环境，最好能到现场观察其使用情况。 • 2、审查设计 审查设计——如对使用条件估计不足进行的设计，标 准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化 太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等 均可能是致断因素。 • 3、材料分析 、材料分析——如材料选用不正确，热处理制度不合理， 如 材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材 料各向异性严重，冶金缺陷等。 • 4、加工制造过程分析 、加工制造过程分析——如铸、锻、焊、热处理缺陷， 如 冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重， 装配不当，异物混入及漏检等。 • 5、使用及维护情况分析 、使用及维护情况分析——如超载、超温、超速，启动、 如 停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格， 冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防 措施不完善等。
失效分析的模式和机理
• 主要是按失效模式和失效机理分类。 失效模式： 失效模式：指失效的外在宏观表现形式和规 律。——材料工程 失效机理：指引起失效的微观的物理化学变化过 失效机理 程和本质。——材料科学 • 两者相结合：可实现宏观与微观相结合、由表及 两者相结合： 里地揭示失效物理化学本质和过程，找出失效原 因，改善材料的使用性能，提高零部件的使用寿 命和服役过程中的安全系数。
重大失效案例
• 1986年1月28日11时39 年 月 日 时 分12秒 （美国东部时 秒 间），美国“挑战者” 美国“ 美国 挑战者” 号航天飞机， 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， 助推火箭发生故障， 助推火箭发生故障 突然爆炸， 突然爆炸，航天飞机被 炸成碎片坠入大西洋。
失效的方式
• 一般将失效分为：断裂失效、非断裂失效两大类 一般将失效分为：断裂失效、非断裂失效 也可分为：过量变形失效、断裂失效 断裂失效和表面损伤 也可分为：过量变形失效 断裂失效 表面损伤 失效 三类 过量塑性变形：花键轴扭曲的扭转变形失效； 过量塑性变形 紧固螺栓的拉长变形失效等，永久性变形，变形量 超过了尺寸的精度控制范围。 过量弹性变形失效：弹性元件（弹簧）的永久 过量弹性变形失效 变形失效等，即弹性材料在服役过程中发生了屈服， 并产生了塑性变形。
失效分析的步骤
l、现场调查 、 （1）保护现场 ） （2）查明事故发生的时间、地点及失效过程 ）查明事故发生的时间、 （3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。 ）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。 （4）选取进一步分析的试样，。 ）选取进一步分析的试样， （ 5） 询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况 ） 。 （6）写出现场调查报告。 ）写出现场调查报告。
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2 收集背景材料 （1）设备的自然情况 ） （2）设备的运行记录 ） （3）设备的维修历史情况 ） （4）设备的失效历史情况 ） （5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用 ）设计图纸及说明书，装配程序说明书， 维护说明书 （6）材料选择及其依据 ） （7）设备主要零部件的生产流程 ） （8）质量检验报告及有关的规范和标准 ）
失效分析的方法
• 目前对于一些初次涉及失效分析领域的科 技人员存在一种倾向，轻视宏观分析与金 相分析。对任何失效问题均采用SEM、 TEM等手段进行分析，实际上这样分析往 往达不到理想效果。实践经验表明目前许 多失效零部件，只需要采用宏观分析方法 配合用光学显微镜分析组织，就能够得到 正确结论。这些试验方法对现场技术人员 是有条件实现，而且是最实用的。同时宏 观分析也是进行SEM分析的基础。
失效分析
• 失效（Failure)与失效分析(Failure Analysis) 各类零部件在服役过程中，由于种种原因还未 类零部件在服役过程中， 达到设计使用寿命就丧失或部分丧失既定功能的现 称为早期失效 象,称为早期失效。若使用寿命已达到设计要求而丧 称为早期失效。 失使用性能的现象,称为正常失效。 称为正常失效 失使用性能的现象 称为正常失效。 失效分析是指对产品的设计 材料、加工、 是指对产品的设计、 失效分析是指对产品的设计、材料、加工、安 装及使用维护等，进行调查、实验及综合分析， 装及使用维护等，进行调查、实验及综合分析，探 讨失效的主要原因和规律，并给出解决方案。 讨失效的主要原因和规律，并给出解决方案。 失效分析的目的：就是根据实际的使用条件， 失效分析的目的：就是根据实际的使用条件， 借助现有的试验方法，找出失效的主要原因， 借助现有的试验方法，找出失效的主要原因，并制 定合理的改进方案， 定合理的改进方案，提高各类部件在使用过程中的 寿命与安全系数，防止同类失效再度发生。 寿命与安全系数，防止同类失效再度发生。
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3 技术参量复验 （1）材料的化学成分 ） （2）材料的金相组织及硬度 ） （3）常规力学性能 ） （4）主要零部件的几何参量及装配间隙 ）
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4．深入分析研究 ． （ 1） 失效产品的直观检查 （ 变形 。 损伤情况 ， ） 失效产品的直观检查（ 变形。 损伤情况， 裂纹扩展，断裂源） 裂纹扩展，断裂源） （ 2） 断口的宏观分析及微观形貌分析 （ 多用扫 ） 断口的宏观分析及微观形貌分析（ 描电镜） 描电镜） （ 3） 无损探伤检查 （ 涡流 、 着色 、 磁粉 、 同位 ） 无损探伤检查（ 涡流、 着色、 磁粉、 射线、 素、X射线、超声波等） 射线 超声波等） （4）表面及界面成分分析（俄歇能谱） ）表面及界面成分分析（俄歇能谱） （ 5） 局部或微区成分分析 （ 辉光光谱 、 能谱 、 ） 局部或微区成分分析（ 辉光光谱、 能谱、 电子探针） 电子探针） 射线衍射法） （6）相结构分析（X射线衍射法） ）相结构分析（ 射线衍射法 （7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核 ）断裂韧性检查，强度、
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5 综合分析归纳，推理判断提出初步结论 综合分析归纳， 根据失效现场获得的信息、 根据失效现场获得的信息 、 背景材料及各种实测 数据，运用材料学、机械学、 数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面 的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后， 的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确 定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。 定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。 6．重现性试验或证明试验重大事件 ． 7．撰写失效分析报告 ． 失效分析报告与科学研究报告相比较， 失效分析报告与科学研究报告相比较 ， 除了在应 写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外， 写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二 者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。 者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。失效分析 侧重于失效增况的调查、取证和验证，在此基础上通 侧重于失效增况的调查、 取证和验证， 过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理， 过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就 有别于断裂机理的研究报告。 有别于断裂机理的研究报告。