失效分析课件总结版

1.失效的含义，分类，产品丧失规定的功能即为失效，分类为：按照失效发展的过程：早期失效，偶然
失效；磨损失效1.（按照失效发生速度）突发性失效、渐进性失效、间歇性失效；2.(按失效整体性) 系统性失效、部分性失效;3. (按失效可修复性) 暂时性失效、永久性失效；4.（按失效相关性）独立失效和从属失效，或关联失效和非关联失效；5，按失效造成的后果：部分（退化）失效、完全（恶性）失效、危险性（严重）失效、灾难性（致命）失效。

2.失效分析研究工作内容：（1）失效物理的研究：即从原子和分子的角度出发，来解释元件、材料失效的现象（2）失效机理的研究：研究失效的物理、化学原因、失效过程及其影响因素。

（3）失效诊断的研究和失效预防工程技术方面的研究。

失效机理研究是基础，失效分析工作是实践，它们是促进整个失效分析工作以及失效理论向前发展的两个相辅相承的方面。

3.失效分析的内涵：1，失效分析（分析和查明产品的失效原因、失效机理、判断失效模式，研究并提出预防再失效的对策等技术活动和管理活动。

）2；明确失效对象(在失效系统中寻找并确认失效零件及其部位和失效过程)。

3, 确定失效模式(失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程，可理解为失效的性质和类型。

)4, 研究失效机理(失效机理是指失效的物理、化学变化本质，其微观过程可追溯到原子、分子尺度和结构的变化。

他是对失效内在本质、必然性和规律性的研究。

失效模式与其有必然的联系)。

5, 找出失效原因(失效原因是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素。

失效原因的查询和判断是建立在失效模式的确定和失效机理的分析基础上而得到科学结论。

)6, 提出预防措施(更清楚地认识使用材料、提出更合理的技术规范、改进材料的选用和工艺技术)
4.:失效过程的特点：过程的不可逆性，过程的有序性，过程的不稳定性，过程的累计性。

失效原因的特点：必然性，双重性，实序性，普遍性。

5．产品失效业务分析的重点无疑是分析产品的早期失效事件、突发性失效事件以及致命的失效事件，因为这些失效事件的分析事关重大或关系到全局。

失效业务分析的深度应依其分析的目的和要求不同而异。

作为法律依据的失效诊断主要的任务
6..失效分析的注意事项：（1）深入进行调查研究既是失效分析的第一个步骤，且贯彻失效分析各个环节和整个失效分析工作的始终。

调查研究要亲到现场、深入进行、决不要漏掉蛛丝马迹。

调查研究要有提纲、口问手记、随时分析整理。

调查研究是失效分析的重要原则和基础（2）认真制定失效分析程序，避免盲目性和片面性失效分析程序是整个失效分折工作“纲领性”文件，它是整个失效分析成败的关键。

“程序”的制定要建立在深入调查研究的基础上，要经过周密的思考，切不可草草从事；“程序”既要重点突出，避免盲目性，又要考虑到失效原因各种可能，克服片面性；“程序”使整个失效分析工作有章可循和有条不紊地进行。

失效分析人员既不能轻易更改“程序”，但也不能一成不变，应根据失效分析的进展和新的情况，作必要的调整。

（3）充分注意失效分折的复杂性和综合性，避免技术上的局限性。

失效分析涉及多种学科的知识和多种测试技术，因此，失效分析人员在专业知识上和经验上的局限性往往会影响失效分析结果的正确性。

为此，不仅要在失效分析小组的组成人员上考虑各有关专业人员的结合，作为每个失效分析人员则要耐心地、虚心地听取不同角度的分析意见，要努力扩大自己的知识面。

只有各个学科的知识、各种测试方法和技术、各类人员的结合和密切合作，才能找到合乎实际的失效原因和补救、预防治施。

（4）尊重客观事实、坚持实事求是，排除人为的干扰。

失效是人们主观认识和客观事物不一致的结果，失效后面有至今尚未认识的真理，因此失效分析一定要尊重客观事实。

失效分析可能会牵连到某些人或单位的利益，这些人往往会利用自己的地位和影响来改变失效分析的进程和结论，因此失效分析工作者必须要有科学的求实精神，勇于坚持真理排除各种人为的干扰，这是失效分析能否得出正确结论的关键之一。

2.1.失效分析的思路及一般程序：总体思路是以调查、观察和试验获取的失效信息为分析的事实依据，以失效规律为理论依据，按一定的分析和推理方法，来判断失效事件的失效模式，查寻失效原因，提出预防措施和改进方法。

（思想方法：整体观念原则，从现象到本质原则，动态原则，一分为二原则，纵横交会原则）
（1）失效对象：1当前失效件——在机械失效现场调查获得的失效件2，潜在失效件——在役或返修中的与当前失效件相同型号的并履历相似的机件3，过去失效件——历史上曾经发生过的与当前失效件同一型号的失效件。

（2）失效现象：1 失效现场调查收集到的各种有关失效的宏观表现及特征 2. 实验室分解检查观察和实验得到的各种宏观显性和隐形的失效表现及特征3，失效的微观特征；模拟试验时出现的失效特征（3）失效环境：1 介质环境——整机环境、局部环境、具体环境 2. 应力环境——载荷的种类、大小、振动、噪声等3，温度环境其他环境，如湿度、辐射等
2.失效分析的一般程序：1，保护失效现场 2. 侦查现场收集资料3，制定失效分析计划 4. 执行失效分析计划5，,综合评定分析结果6，,研究补救措施和预防措施7，评审失效分析报告8.起草失效分析报告9，,提出失效分析报告10，进入反馈系统
2.2 防止失效的思路：(1) 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。

(2) 运用材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系，提出改进措施。

(3) 根据“不同服枝条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律，分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理。

(4) 采用局部复合强化，克服零部件上的薄弱环节，争取达到材料的等强度设计。

(5) 在进行失效分析和提出防止失效的措施时，还应做到几个结合：
①设计、材料、工艺相结合，即形状、尺寸、材料、成型加工和加强化工艺统一考虑；
结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合，试体试验与实际零部件台架模拟试验相结合；
宏观规律与微观机理结合，宏观断口和微观断口分析相结合，宏观、微观、亚微观组织分析相结合；
④实验室规律性、试验研究与生产试验相结合。

2. 2.6 失效分析技术方法概述：
1..痕迹分析技术：对失效过程中表面或其他部位留下的痕迹特征进行分析、诊断鉴别，找出其变化的过程和形成的原因，为失效分析提供线索和证据
2，,裂纹分析技术：通过对裂纹产生的部位及其材质、裂纹的宏观及微观特征分析，判定裂纹起始位置及走向，探究裂纹产生的原因和机理，从而找到零件失效的原因。

3，,断口分析技术：断裂件断口上的痕迹记录了载荷及外部环境对材料中裂纹萌生扩展的作用及行为，以及裂纹形成过程的各种影响因素。

分析之可以找到断裂的原因及影响因素
4，失效评估技术：把个体的失效事件转化成群体的失效概率事件进行分析，通过数理统计方法分析零件或零件集成系统的失效或安全的可能性概率
2.5.1 材料失效的累计损伤致因论：1，材料累计损伤的本质——组织结构的累计损伤：由小到大；由宏观到微观；有一定的规律
材料累计损伤的特征——显性的完整性破坏：1，形状和尺寸的变化，如：变形、溶胀、熔坑…2，材料的连续性被破坏，如裂纹、断裂、蚀坑、龟裂…
3，材料变质，如表面氧化、腐蚀、烧蚀
材料累计损伤的判据——损伤临界值：如：临界裂纹长度，临界腐蚀速度，最大磨损量。

3.1 金属构件中的常见缺陷：
一、铸态组织缺陷 1. 缩孔与疏松（晶间疏松，枝间疏松）危害：主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响；消除：合理选择合金成分；合理的铸造工艺；合理的锻轧工艺2.偏析（晶内偏析，晶间偏析，区域偏析，比重偏析）预防：①净化合金液②改善凝固条件③扩散退火处理 3. 气孔与白点（类型：侵入气孔、析出气孔和反应气孔；危害：降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性；预防：合金液除气、合理的铸造工艺）白点：合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点。

易发钢种：含Cr、Ni、Mn的合金结构钢及低合金工具钢；消除：净化除气；提醒：含白点的钢材或其它材料不能使用！
二、锻轧件缺陷 1. 内部组织缺陷 a. 粗大的魏氏组织（危害:：脆性增加，强度下降；提醒:：重要件不允许有魏氏组织!）b.网络状碳化物及带状组织（危害：使性能呈各向异性；提醒：常导致工、模具钢过早失效） c. 钢材表面脱碳
2. 钢材表面缺陷 a. 划痕 b. 表面裂纹 c. 分层 d. 折叠 e. 结疤
三、夹杂物对钢性能的影响：构件失效中，90%是疲劳失效(正常使用时)。

1. 夹杂物的类型：a. 脆性夹杂物；b. 塑性夹杂物；c. 半塑性变形的夹杂物 2. 夹杂物对钢性能的影响：主要是指对强度和韧性的影响。

a. 夹杂物使钢产生微裂纹
b. 夹杂物易引起应力集中
c. 夹杂物降低钢的韧性
第四章：痕迹分析技术
4.1.痕迹：环境作用于系统，在系统表面“表面”留下的标记。

失效痕迹分析：对失效过程中留下的痕迹进行分析。

分类：机械接触痕迹腐蚀痕迹电侵蚀痕迹污染痕迹分离物痕迹热侵蚀痕迹加工痕迹
4.3 痕迹及痕迹分析:作用：为判断失效性质、破坏顺序和首个失效件提供重要的线索；为判断环境与失效件作用提供直接或间接地证据；为生产制造、安装调试、使用维修提供重要的线索；是表面科学的重要分支，为研究和提高材料表面性能提供重要的方向指导。

----通过一定的检验方法来研究痕迹的共性与特殊性、形成过程及机制、造出造成痕迹的来源，成为寻找失效原因的重要途径。

4.4痕迹分析及的一般程序和方法:
寻找、发现、显现----整机破坏顺序痕迹、零部件的外部痕迹、零部件之间的痕迹、污染物和分离物痕迹------从起始点开始，全面收集，要有耐心和经验，保持原始状态。

提取、固定、显现、记录、保存------采用摄影、复印、制模、静电提取、AC法等提取固定痕迹，用干湿法均可提取残留物-
鉴定痕迹-----对痕迹特征进行针对性检验------由简到繁，从宏观到微观，先定性后定量，依据形貌、成分、组织结构到性能的顺序.
模拟再现试验----对于要求较高分分析过程，可以在同类型产品上验证
-综合分析----分析痕迹形成条件、过程以及影响因素，痕迹的性质和来源。

进而分析痕迹与失效的关系，寻找失效的原因
结论及建议------痕迹本身分析结论，推理性结论，与失效相关性结论
第五章裂纹分析技术
5.1 裂纹分析思路：裂纹的宏观检验观察-----产生裂纹部位分析-----材质检验------裂纹的微观检验
5.3 首断件的确定首断件：在机电装备断裂时，往往会导致多个零件先后出现断裂,从这些零件中寻找首断件是失效分析的关键之一。

确定的一般规则：1，在各种断裂件中，既有延性断裂，又有脆性断裂时，一般脆性断件断裂发生在前，延性断裂件断裂发生在后,2,在各种断裂件中，既有脆性断裂，又有疲劳断裂时，一般疲劳断件断裂发生在前，脆性断裂件断裂发生在后。

3，当存在两个或两个以上疲劳断裂件时，低应力的疲劳断件断裂发生在前，而大应力疲劳断裂件断裂发生在后,4，当断裂件均为延性断裂时，则应根据各种零件的受力状态、结构特征、裂纹的走向、材质与性能等进行综合分析与评定，才能找出首断件。

5.4 主裂纹的确定主裂纹：经对失效机械件的残骸拼凑，经常会碰到在同已失效件上出现多条裂纹，从这些裂纹中必须找出首先开裂的部位——主裂纹。

确定的方法：1，“T”型法：若一个零件上出现两块以上碎片时，若将其合拢起来构成“T”型，在通常情况下，横贯裂纹为主纹，其余为二次裂纹,2，分叉法：机械零件在断裂过程中，往往在出现一条裂纹后，要产生多条分叉或分支裂纹。

分叉或分支裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹3，变形法；当机战零件在断裂过程中产生变形并断成几块时，可测定各碎块不同方向上的变形量大小，变形量大的部位为主裂纹，其余为二次裂纹。

4，氧化法：氧化颜色愈深、氧化愈严重的裂纹为主裂纹。

浅者为二次裂纹,5 疲劳裂纹特性法：疲劳裂纹长、疲劳弧线或条带间距密者为主裂纹，反之为次生裂纹或二次裂纹。

5.9 裂纹的起始位置分析：裂纹的起源位置取决于两方面因素的综合作用，即应力大小及材料强度的高低。

当材料局部存在着缺陷时，会使缺陷处的强度大幅度降低，此处最易成为裂纹的起源位置。

前者又受材料和零件结构内、外应力集中因素的影响。

而后者又与材料类型、状态和缺陷等因素有关，因此裂纹的起裂位置一般从材质状态及零件形状等方面分析。

第六章：失效分析案例举例
案例1 油井套管腐蚀：0、背景介绍：1、套管腐蚀形貌2、腐蚀产物ＸＲＤ分析3、油套管材质的金相和非金属夹杂分析4、管壁ＳＲＢ分析检测5、腐蚀试验6、结论；
（2）腐蚀产物ＸＲＤ分析
取套管内壁物质,洗去油污,再用丙酮清洗吹干,进行Ｘ—射线衍射分析。

套管内壁腐蚀产物中主要有ＦｅＣＯ3和ＣａＣＯ3, 夹杂有ＮａＣｌ和硫酸亚铁等。

腐蚀产物的主要成份为碳酸盐,显示出套管、油管腐蚀与ＣＯ2腐蚀有关。

（3油套管材质的金相和非金属夹杂分析
采用电子探针分析仪进行钢基、夹杂物定性、定量和元素面分析。

套管钢的纵截面夹杂物形貌及面分析发现, 大量细小球形暗灰色颗粒为Ａｌ2Ｏ3, 短条状为ＭｎＳ。

材质中夹杂物以Ａｌ2Ｏ3和ＭｎＳ为主, 少量Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2存在。

整个材料裂口面上夹杂物多且分散较均匀,夹杂物以Ａｌ2Ｏ3、ＭｎＳ为主,分散均匀,加速了钢材的腐蚀。

同时经电子探针元素定量分析表明,随着向腐蚀坑底的深入,表层元素中氧、硫、氯、钙、镁含量在逐步增大。

说明生成的腐蚀产物有铁氧化物、硫化铁、碳酸钙、碳酸镁等,并随腐蚀深入呈增加趋势。

(4)管壁ＳＲＢ分析检测
取下管壁内表面的附着物, 置于100ｍＬ已灭菌处理的8%的生理盐水中,并使之均匀分散于盐水中,取1ｍＬ此盐水逐渐稀释至10-10级，采用绝迹稀释法测量最大可能菌量。

分别在三种温度下(37℃、50℃和80℃)进行培养，连续观察并记录结果和现象。

实验结果表明，在37℃条件下,ＳＲＢ活性很差，80℃时没有长出，50℃时最适合该细菌的生长，生长指标为221,菌量大约为3.0×104个/ｃｍ2。

该细菌已适应了腐蚀产物膜下的环境,将导致膜下细菌腐蚀,进一步研究表明,该腐蚀产物膜中还含有少量的短链脂肪酸,该脂肪酸会促进点蚀的形成和发展,加速腐蚀。

5腐蚀试验
用油田水样对两种钢(套管钢、油管钢)进行了静态和动态腐蚀试验,温度50℃下密闭除氧试验时间7天。

结
果如表1所示:-----动态腐蚀速度远远大于静态腐蚀速度,说明介质、材料处于相对运动状态时腐蚀更为严重。

在动态腐蚀循环试验装置上进行了不同流速对腐蚀影响的试验。

不同流速对腐蚀影响的试验
随介质流速的增加,腐蚀速度迅速增大,腐蚀速度由静态的0.061ｇ/ｍ2·ｈ增加到流速为0.9ｍ/s时的的0.70ｇ/ｍ2·ｈ,腐蚀速度增加了11.5倍, 即使在0.32ｍ/s这样的低流条件下,腐蚀速度也增加到原来的3倍,说明介质流动能较大地增加体系的腐蚀。

不同ＣＯ2分压下, Ｑ235钢在3%ＮａＣｌ溶液中的腐蚀速度
很明显ＣＯ2压力越高,腐蚀越为严重
6结论
(1)复杂断块油田套管腐蚀失效主要是油井高矿化度产出水中ＣＯ2腐蚀作用的结果。

(2)套管的局部腐蚀破裂形态与钢材中夹杂物的局部分布、流体冲刷密切相关。

(3)综合对腐蚀形态特征的观察判断,腐蚀产物的分析,材质金相非金属夹杂分析,管壁ＳＲＢ检测分析和腐蚀试验的研究,可以找出套管腐蚀失效的主要原因。

火电机组奥氏体钢管材失效分析
0、背景介绍1宏观检验2化学成分及机械性能检验3金相分析4电子探针检验5内应力分析6结果分析7防治对策
1宏观检验
爆口均发生在小角度17°30′弯头附近,裂口均为横向,在一次爆口的6根管子中有些管由外向内裂,有些则由内向外裂,管径未涨粗,断口较平整,裂口内壁附近存在平行的未穿透的横向裂纹,管外壁附有黑色的氧化层;管外壁局部有弯管留下的压痕,这些区域的背面有较浅的横向裂痕萌生.
2化学成分及机械性能检验
3金相分析
在爆口附近制备金相试样,晶粒度3～6级,单相奥氏体,沿晶裂纹,裂纹中充满灰色的腐蚀物.
4电子探针检验
断口及管子外表面氧化物成分见表3, 能谱分析发现管子微裂纹处存在Ｃｌ、Ｓ元素.
5内应力分析
在小弯头区域取样用衍射仪2θ法进行测量,其结果见表4. Ｆｅ(222)晶面应力常数为586,计算求得σ=164ＭＰａ(压应力);试验还表明试样存在明显的应力梯度.
6结果分析
ＳＵＳ304管材化学成分及机械性能均符合有关标准,管壁未减薄,金相组织也未发现异常.一次失效事故中所有的爆口和裂纹既不存在于管子的直段也不在管子变形量最大和炉温最高的下弯头处,而全部集中在变形量不大的小弯头附近,表明该材料在同一环境下失效与小弯头附近材料的状况有某种关系.爆口附近及管子内外壁小裂纹的形貌均为沿晶裂纹,裂纹中充满灰色的腐蚀物,爆口及裂纹方向与弯头加工变形方向垂直;尽管经过爆管和试样割取释放了大部分的内应力,衍射测量中仍可发现试样中存在明显的应力和应力梯度.可以确定失效的原因是由于应力腐蚀所致.从断口表面的电子探针分析结果,致密氧化层表明这种爆破失效是一缓慢的过程,管子的有关区域有可能在投入运行之前就存在一些缺陷.经了解, 由于工程进度的原因,
这批管子在安装前已在工地放置了1年多时间,由于工地面临大海,又属于亚热带地区,空气湿度大,具有形成应力腐蚀的外部条件;夹持管材料延伸性较好,小角度处转弯较多但变形量不大.从管子外壁局部区域存在弯管时留下的压痕可推断弯管时加热温度不足;从试样内应力分析可见管子弯后热处理不妥导致这一区域的残余应力得不到有效消除,加上该电厂的特殊地理环境气候条件,使得裂纹沿着管子拉应力垂直方向开始萌生并逐渐加深,致使投入运行3000多小时就爆破失效,众多管子几乎在同一时间爆破,而破口既有由内向外也有由外向内,横向小裂纹管子内外壁均有,表明腐蚀介质或气氛对管子内外壁的入侵是同时的、均匀的.
7防治对策
随着火电机组朝着大单机高参数大容量的方向发展,奥氏体不锈钢材料的大量使用已是发展趋势.在我国,沿海地区近年来大容量机组安装较多,不锈钢管材失效爆破的事故时有发生,并几乎都是应力腐蚀所致,一爆就是一大片,对正常生产影响较大.由于地处沿海地区,特别是南方亚热带气候,控制腐蚀介质或腐蚀气氛的难度较大,有些生产单位曾寄希望于更换更高档次的材料以求保证机组的正常运行,以致机组安装及维修的费用增大,造成不必要的浪费.笔者认为304这种管材是比较成熟的材料,国外已有多年的运行历史.对氯离子和应力腐蚀比较敏感是奥氏体不锈钢的共同弱点,材料本身的内应力和外部的腐蚀介质或腐蚀气氛是不锈钢材料应力腐蚀失效的内因和外因,只要能有效控制就能有效降低其失效几率.沿海地区的机组除了要加强措施做好防腐工作外,更重要的是要从控制内因方面着手,制造厂家和安装单位对弯管的不圆度和弯管及焊接的热处理工艺等方面应严加控制,尽可能减少直至消除管材的残余应力;使用单位对可疑的管段区域要进行应力检查,发现有异应进行消除应力处理,发现微裂纹者应尽快更换,便可将事故消灭在萌芽状态之中.
案例3 3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢热锻模具淬火开裂原因分析
1背景2检验内容及结果2 .1原材料化学成分2 .2硬度测定2. 3断口形貌(1)宏观检查(2)断口微观检查2. 4显微组织分析3讨论4结论
22检验内容及结果
2 .1原材料化学成分
分析在模具上取样,测定模具的化学成分(质量分数,%)如下:0 .30Ｃ,0.8 2Ｗ,0.2 5Ｃｒ,0 .35Ｖ,0 .32Ｓｉ,0 .30Ｍｎ,0 .032Ｓ,0 .028Ｐ。

与ＧＢ1299—2000(合金工具钢)相比,符合标准。

2 .2硬度测定
用ＨＲ150洛氏硬度试验机测定锻件的表面硬度为28～30,模具回火后的表层硬度为40～41ＨＲＣ,心部硬度为47～48ＨＲＣ。

2 .3断口形貌
(1)宏观检查模具横向多处断裂,裂纹特征有直裂纹、弯折裂纹和圆弧裂纹,
在模具碎块的横断面表层可观察到有约30ｍｍ细瓷状断口,见图2。

断口内部有山脊状扩展形貌,放射线中心朝向模具心部,表明裂纹源形成于模具心部。

心部为粗晶状断口,有十分明显的金属光泽。

上述特征可以判定该模具的开裂是由心部脆性解理断裂引发的。

(2)断口微观检查
用扫描电镜对细瓷状断口、粗晶状断口进行观察,结果见图3、4。

从粗晶状断口扫描电镜照片可以看到,断口中有明显的解理台阶,属穿晶解理断裂特征。

2. 4显微组织分析
在模具开裂处,对粗晶状断口、细瓷状断口截取试样,样品制备后,用4%硝酸酒精溶液短时轻微腐蚀,然后在金相显微镜下观察。

尽管照片中组织不太清晰,可以观察到淬火前奥氏体晶粒分布情况,见图5。

用奥氏体晶粒度评级标准[2]评定晶粒度等级为6级,粗晶状断口处的晶粒和组织粗大(图6),晶粒度等级为1级。

观察还发现碳化物呈严重的带状分布,见图8。

在细瓷状与粗晶状断口的衔接处存在大小晶粒不匀的现象。

3讨论
相关文献介绍3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢是一种压铸模具钢,该钢含有较多的钨和铬,具有较小的热膨胀系数和较好的耐蚀性。

钨可以增加钢的耐热性,减少回火脆性和热处理变形。

由于该钢的碳含量较低(0 25%～0。