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1、材料失效分析材料失效分析教案教案 Failure analysis of materials 课程目标及支撑点：课程目标及支撑点：目标目标 1.掌握工程构件常见的失效类型、过程、机理、原因、影响因素及预防措施。支撑指标点支撑指标点 2.1 能运用相关科学原理，识别和判断复杂材料工程问题的关键环节。目标目标 2.掌握失效分析中常用的实验检测技术及选用原则，能够根据失效分析需要选择合适的检测手段。支撑指标点支撑指标点 4.3 掌握材料研究的科学原理和方法，分析复杂材料工程问题的解决方案，能根据材料研究对象的特征，选择研究路线并设计可行的实验方案。目标目标 3.掌握断口分析技术，能够根据断口的宏观和
2、微观形貌特征分析断裂的宏观及微观机理。支撑指标点支撑指标点 4.4 能够处理实验数据，对复杂材料工程问题的实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。主要内容：主要内容：1.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。2.介绍金属装备及其构件失效分析的方法与手段。3.介绍金属装备及其构件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。内容安排：内容安排：第1章 失效分析概述 第2章 失效分析的思路和程序 第3章 失效分析基础知识 第4章 金属构件常见失效形式及其判断 第5章 断口分析技术 第6章 失效分析试验检测技术及选用 第7章 金属构件常见加工缺
3、陷与失效 第8章 金属构件失效分析实例 参考教材：参考教材：金属构件失效分析，廖景娱主编，化学工业出版社，2018；失效分析基础与应用，孙智主编，机械工业出版社，2005。考核方式考核方式：考试方式：开卷 总成绩=考试成绩*70%+平时成绩*30%平时成绩=课堂考勤+实验报告+案例分析报告（ppt）第 1 章 失效分析概论 1.1 金属构件的失效及失效分析 一、失效 金属构件在使用过程中，由于设计问题、材料问题、制造质量问题、环境介质问题及操作维护问题等因素的作用，丧失其规定功能的现象。金属构件的失效大致可分为三种类型：完全丧失其规定的功能；部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆满地完成
4、规定的任务；失去安全工作能力的装备。二、失效引起的损失巨大 损失：直接经济损失、间接经济损失 美国 1982 年统计，因零件失效每年造成的经济损失达 3400 亿美元。1908 年 3 月 27 日，北海石油钻探船 Alexander Kielland 号，由于连接五根柱子的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全颠覆，损失达几千万美元。有些成为惨案和惨剧-惨不忍睹！1979 年 9 月 7 日，中国某电化厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使 10t 液氯外溢扩散，波及范围 7.25 km2，致使 59 人死亡，779 人中毒。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的一家化工
5、厂，由于安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量毒气，造成375 人死亡，2000 人重伤，20 万受到毒气的侵害，其中 2 万人需要住院治疗，有关方面要求美国公司赔偿 150 亿美元的损失费。1986.4.26 前苏联切尔诺贝利核电站 4 号核反应堆爆炸，当 场 31 人 死 亡，附近 13 万多人被迫撤离，隔离区成为“死亡区”，间接导致 5.5 万人丧生，7 万人成为残疾人，该次事故造成的直接经济损失在 2350 亿美元以上。“死城”-普里皮亚季镇(离核电站 3km)切尔诺贝利核电站“石棺”现场 2011 年 11 月 19 日，泰安市新泰化工厂在冷凝器检修过程中发生一起爆燃事故，
6、致使 14 人死亡，5 人受伤。2013 年 11 月 22 日，黄岛输油管道原油泄漏爆炸，造成 62 人死亡、136 人受伤，直接经济损失 7.5 亿元。1122 青岛输油管道爆炸事件：事故原因：事故的主要原因是输油管路与排水暗渠交汇处管道腐蚀变薄破裂，原油泄漏，流入排水暗渠，所挥发的油气与暗渠当中的空气混合形成易燃易爆的气体，在相对封闭的空间内集聚，现场处置人员使用不防爆的液压破碎锤，在暗渠盖板上进行钻孔粉碎，产生撞击火花，引爆了暗渠的油气。由于原油泄漏之后到爆炸八个多小时期间，泄漏的原油已经形成的混合气体，受排水倒灌的影响，在排水暗渠当中急剧蔓延、扩散，从而导致在大范围内连续发生爆炸。事
7、故责任：（1）对隐患的排查治理不认真、不负责，尤其是对输油管道与排水暗渠交汇处存在的重大隐患没有进行彻底的排查和整改，企业有责任，政府监管部门也有责任。（2）应急处置不力。原油泄漏到爆炸八个多小时，其间从企业到政府的有关部门对事故风险研判失误，没有及时采取封路警戒的措施，也没有及时通知疏散周边的群众。（3）违规违章作业，现场处置人员没有对暗渠内的油气进行检测就冒险作业，而且采用非防爆的工具进行施工，从而导致油气爆炸。（4）规划设计不合理，事故发生地段规划建设非常混乱，油气管道与周边的建筑物距离太近，特别是输油管道与暗渠交叉工程设计不合理，存在重大隐患。所以，设计部门、市政部门对此负有不可推卸的
8、责任。“失效”与“事故”的区别：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。三、失效分析 为了查明失效构件的失效类型、失效机理和失效原因，研究并提出预防再失效的措施等而进行的一切技术活动和管理活动。四、失效分析目的 通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，提出改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再次发生，对装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用方面提供借鉴和指导。广义地讲，失效分析的工作内容应包括失效分析的业务工作(即“门诊”工作)、失效分析的研究工作和失效
9、分析的管理及技术反馈工作。失效分析与废品分析的区别:1.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。2.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。例：某传动齿轮，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
10、及残余奥氏体4 级，渗碳层深度为 1.31.5mm，该齿轮在使用中发生断齿失效，要求分析断齿原因。分析 1：常规检查结果：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，符合技术要求；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 2：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，众多初裂纹源于齿根表面加工缺陷处，经快速扩展后引起断裂，属过载类型的宏观脆性断裂。原因：由于齿根加工质量不良产生的严重应力
11、集中而引起。改进措施：提高齿根的加工质量，减少应力集中及防止过载。实践证明这一分析结论是正确的。如果按照废品分析的观点，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，还会增加断齿的危险性。因此，失效分析与废品分析是不同的，不能简单地将产品的某项技术指标不符合标准要求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。5、失效分析的分类 按照失效分析工作进行的时序和主要目的，分为事前分析、事中分析和事后分析 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
12、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失效。事后分析：是采用实验检测技术与方法，对已经失效的某个系统或零件找出失效的原因。通常所说的失效分析是指事后分析。1.2 失效分析的意义 一、提高设备运行和使用的安全性，防止事故的再发生 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，提高设备运行和使用的安全性，使同类失效不再发生。二、有助于提高企业的管理水平和产品质量 构件失效有很大一部分是由于产品缺陷而引起，表明企业的检验制度不够完善或者检验的技术水平不够高，需要提高质量管理水平。产品的质量问题引起失效，通过失效分析，将失效原因反馈到生产企业并采取相
13、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 原有规范和标准的修订及新标准的制定都需要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。无折边锥形封头使用范围半锥角30就是失效得来的教训。200
14、4年，某酒精厂蒸煮锅上封头采用=80的无折边锥形封头，在 0.5MPa 的工作压力下操作发生爆炸引起事故。DiaDis无折边锥形封头 改进成aDisDirDc大端折边锥形封头 五、失效分析促进了材料科学与工程的发展（1）失效分析促进了材料强度与断裂学科的产生“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。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。通过对大量断轴失效分析和试验研究工作，发现金属构件在交变应力的作用下，即使该应力远远低于金属材料的拉伸强度，经过一定的循环损伤积累，也会发生断裂，这就是“疲劳”。此后经物理学家、冶金学
15、家、机械工程师反复、深入、系统的研究，使疲劳断裂成为金属材料强度学中的一个重要领域，从而推动了由静强度到疲劳强度设计的进步。在对许多大型化工设备不锈钢件的断裂原因分析中发现，在一定的腐蚀介质和拉应力作用下，会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，由此提出了应力腐蚀断裂。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。（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
16、域而被广泛重视。在断裂韧性提出之前，人们一味追求高强度材料，引起了大量的低应力脆断，对这些构件进行失效分析后发现这些构件大多都是裂纹体构件，由此提出了断裂力学和断裂韧性。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）失效分析促进了材料的开发、工艺的改进与新技术的发展 如：二战期间，美国焊接结构“自由轮”在美国-冰岛-英国航线上发生千余次断裂破坏事故，原因是碳钢和低合金钢在低温出现了脆性转变，低温脆断失效的
17、研究促进了低温材料的发展；材料中的夹杂、合金元素的分布不良等导致材料失效，极大地促进 了冶金技术、铸造、焊接和热处理工艺的发展；腐蚀和磨损失效的研究，促进了表面工程的形成与发展。1.3 失效分析的发展历史（1）古代失效分析:第一次世界工业革命前，原始工具的制造、使用和改进产生了很朴素的失效分析。失效分析基本上处于现象描述和经验阶段。（2）近代失效分析:以蒸汽动力和大机器生产为代表的工业革命给人类带来巨大物质文明的同时，也不可避免地给人类带来前所未有的灾难，机器失效引起众多事故的发生，导致巨大经济损失和人员伤亡。各种失效形式的发现及规律的总结 失效分析学科雏形形成 失效分析机构相继出现 促使了研
18、究带裂纹体力学行为的断裂力学的诞生 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（3）现代失效分析：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，洞穿了构件失效的微观机制，随后大量现代物理测试技术的应用，促使失效分析登上了新的台阶。系统的失效分析可靠性评估 失效分析学科日趋完善 失效分析机构日趋正规 现代失效分析手段不断增多 失效分析结论作为法律仲裁的依据 失效分析工作成为提高产品更新换代的主要途径 1.4 失效分析的发展趋势（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
19、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。（3）加强失效分析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
20、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，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。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，
21、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。1.5 失效分析的注意事项（1）深入进行调查研究 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“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
22、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的应用，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，每个失效分析人员也要耐心地、虚心地听取不同角度的分析意见，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有效的补救、预防措施。（4）尊重客观事实、坚持实事求是，排除人为干扰 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，勇于坚持真理，排除各种人为干扰，这是失效分析能否得出正确结论的关键之一。