材料失效分析緒論(2h)

1、4/10/20221Copyright 1996-98 Dale Carnegie & Associates, Inc.4/10/20224/10/20222緒緒 論論一、一、材料失效分析材料失效分析的基本概念的基本概念二、二、材料失效分析材料失效分析的發(fā)展概況的發(fā)展概況三、三、失效分析失效分析人員的任務和要求人員的任務和要求四、四、材料失效分析材料失效分析的主要內容的主要內容4/10/20224/10/20223失效案例之一失效案例之一德國德國ICE884次高速列車脫軌事故次高速列車脫軌事故4/10/20224時間：時間：1998年年6月月3日。地點：德國埃舍德小鎮(zhèn)。日。地點：德國埃

2、舍德小鎮(zhèn)。事件經過：事件經過： 慕尼黑開往漢堡的德國德國ICE884 次高速列車次高速列車在埃舍德發(fā)生列車脫軌脫軌行車事故。列車由2 輛動車和12 輛拖車組成, 12 輛拖車全部脫軌，有101人死亡，100多人受傷。事故的列車為德國第一代ICEI 型高速列車, 德國共有這種列車60列。聯(lián)邦鐵聯(lián)邦鐵路局局長路局局長在國會聽證會上公布了對事故發(fā)生過程的初步調查結果：在列車運行距公路跨線橋約6 km 時，第1 節(jié)拖車的第3輪對的輪箍發(fā)生破裂輪箍發(fā)生破裂，列車繼續(xù)以20 km /h 的速度運行, 輪箍斷裂并擁塞在高速運轉的輪對中，發(fā)生劇烈的摩擦 。 在距公路橋約300m處, 已斷裂的輪箍鉤住了埃舍德車

3、站的一組道岔, 使拖車跳起、脫軌并與動車脫鉤，脫軌的車輪則落在相鄰的線路上，列車繼續(xù)運行約120 m 后，脫軌的輪被鄰線的另一組道岔改變了方向，突然猛烈地甩向右側，第3 節(jié)拖車尾部與橋墩猛烈沖撞使跨線橋部分坍塌墜落。駛過跨線橋的頭部動車經緊急制動后運行約2 k m 停車, 沒有脫軌; 與頭車分離的第1 3 節(jié)拖車脫軌后停在橋后約30m 處; 第4-5節(jié)拖車被坍塌的橋梁砸毀, 后部第6 12 節(jié)拖車以巨大的慣性沖撞擠壓在一起, 尾部動車幾乎未受損壞。該列車車輪系橡膠彈性車輪該列車車輪系橡膠彈性車輪, 輪箍是軋制的無縫鋼圈輪箍是軋制的無縫鋼圈, 通通過熱效應熱壓在輪心上過熱效應熱壓在輪心上, 輪心

4、是鑄鋼輪體輪心是鑄鋼輪體, 輪箍與輪心間有一層橡膠體。輪箍軋制輪箍與輪心間有一層橡膠體。輪箍軋制時若殘留氣泡或礦碴時若殘留氣泡或礦碴, 在高負荷動力作用下在高負荷動力作用下, 就可能開裂就可能開裂; 或由于輪箍材料老化產老化產生生“ 疲勞斷裂疲勞斷裂”所致所致。4/10/2022失效案例之一失效案例之一德國德國ICE884次高速列車脫軌事故次高速列車脫軌事故4/10/20225 鋼脆性和工程結構脆性斷裂：橋梁、船舶、壓力窗口、管道、球罐、熱電站發(fā)電設備的汽輪機和發(fā)電機轉子以及其他設備曾發(fā)生脆性斷裂事故。 失效案例之二失效案例之二二戰(zhàn)時期美國焊接二戰(zhàn)時期美國焊接“自由輪自由輪”斷裂斷裂4/10/

5、20226 在焊接結構斷裂中，船舶的脆性斷裂事故頗受人們注意。在第二次二次世界大戰(zhàn)期間大戰(zhàn)期間，美國美國的焊接“自由輪自由輪”在使用過程中發(fā)生大量的破壞事故，其中238艘向完全報廢、19艘船沉沒。船舶損壞有完全斷裂或部分斷裂兩種情況，據統(tǒng)計有24艘船舶脆斷脆斷成兩半的情況。 Shank等人對船舶的脆性斷裂事故作了詳細調查，并獲得了大量數據。認為造成最主要的原因是鋼的缺口敏感性鋼的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆斷脆斷是在氣溫較低氣溫較低的情況下發(fā)生的。 對策：美國造船用鋼板含碳量由對策：美國造船用鋼板含碳量由0.23%降低到降低到0.21%，含錳量，含錳量由由0.75%增加到增加到0.

6、95%，以使其延性脆性轉換溫度由，以使其延性脆性轉換溫度由0降低到零下降低到零下14。 二二戰(zhàn)后的1956年英國最大油輪英國最大油輪“世界協(xié)和世界協(xié)和”號號，在愛爾蘭海的一次大風暴中輪船破裂成兩段，當時海上溫度為溫度為10.5。后經調查表明：裂紋發(fā)生在船腹中部，裂紋由船底開始沿船的兩側向上擴展，并穿過甲板。裂紋是不連續(xù)的，而是由若干單獨的裂紋所組成。總結船舶脆性斷裂原因脆性斷裂原因大致可歸納為：鋼板鋼板低溫脆性低溫脆性所引起所引起;脆脆性斷裂是由應力集中處開始性斷裂是由應力集中處開始;鋼板具有較大的缺口敏感性。鋼板具有較大的缺口敏感性。4/10/20224/10/20227 嫦娥三號探測器系統(tǒng)

7、副總設計師張玉花介紹，在結構分系統(tǒng)方面嫦娥三號探測器系統(tǒng)副總設計師張玉花介紹，在結構分系統(tǒng)方面有三大套機構，一套機構是帆板，主要負責玉兔號在月夜的收攏和有三大套機構，一套機構是帆板，主要負責玉兔號在月夜的收攏和展開以及再喚醒。還有一套是桅桿機構，它承擔著一個天線四個相展開以及再喚醒。還有一套是桅桿機構，它承擔著一個天線四個相機。除此之外還有一個機構在車體的正前方，是位于前方的機械臂。機。除此之外還有一個機構在車體的正前方，是位于前方的機械臂。目前還不太知道問題究竟出在哪里，但是好消息是，玉兔號終于目前還不太知道問題究竟出在哪里，但是好消息是，玉兔號終于熬熬過了零下過了零下180攝氏度的月夜攝氏

8、度的月夜，而且已經醒過來了。昨晚玉兔號的師，而且已經醒過來了。昨晚玉兔號的師傅一直在緊急開會，研究恢復的方案。探月工程新聞發(fā)言人裴照宇傅一直在緊急開會，研究恢復的方案。探月工程新聞發(fā)言人裴照宇2.14晚晚9點半接受記者的采訪。點半接受記者的采訪。 案例之三案例之三 原因待查原因待查4/10/202281 1、失效、失效 零件由于某種原因，導致其尺寸、形狀、或材料的組織與零件由于某種原因，導致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能圓滿地完成指定的功能。性能發(fā)生變化而不能圓滿地完成指定的功能。 如前所述。如前所述。 失效分析則是對設備及其構件在使用過程中發(fā)生各種形式失失效分析則是對設備及其

9、構件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現象的特征及規(guī)律進行效現象的特征及規(guī)律進行分析研究分析研究，找出產生失效的主要，找出產生失效的主要原因原因及防止失效的及防止失效的措施措施。 1) 判斷失效性質：畸變失效、斷裂失效、磨損失效、腐蝕失判斷失效性質：畸變失效、斷裂失效、磨損失效、腐蝕失效。效。 2) 分析失效原因：設計、材料、加工、裝配、使用、維護。分析失效原因：設計、材料、加工、裝配、使用、維護。 3) 研究失效的預防措施：修改設計、更換材料、改進加工工研究失效的預防措施：修改設計、更換材料、改進加工工藝藝、合理裝配、正確使用、及時維護合理裝配、正確使用、及時維護等。等。2 2、失效分析失效分析4

10、/10/20224/10/202293 3、 失效形式失效形式4/10/20224/10/2022104 4、 失效原因失效原因1) 設計不合理設計不合理2) 選材不當及材料缺陷選材不當及材料缺陷3) 制造工藝不合理制造工藝不合理4) 使用操作不當和維護不當使用操作不當和維護不當5 5、失效分析技術失效分析技術1) 金相分析技術金相分析技術2) 斷口分析技術斷口分析技術3) 力學性能測試技術力學性能測試技術4) 理化分析測試技術理化分析測試技術5) 晶體結構分析技術晶體結構分析技術6) 無損檢測技術無損檢測技術7) 應力分析技術應力分析技術等等4/10/20224/10/2022116 6、材

11、料失效及其模擬、材料失效及其模擬 裂紋形成裂紋擴展裂紋進一步擴展完全斷裂 在ABAQUS里，模擬材料失效主要有兩種方法：一是使用已有的失效材料模型；另一種方法是使用VUMAT子程序中定義一個狀態(tài)變量來表征材料是否失效。4/10/20224/10/202212失失 效效分分 析析可靠性分析可靠性分析質量管理質量管理測試技術測試技術無損檢測無損檢測工程力學工程力學概率統(tǒng)計概率統(tǒng)計系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程模糊數學模糊數學機械設計機械設計工工 藝藝 學學腐蝕科學腐蝕科學摩摩 擦擦 學學斷斷 口口 學學痕痕 跡跡 學學裂裂 紋紋 學學金金 相相 學學材材 料料 學學斷裂物理斷裂物理斷裂力學斷裂力學斷裂化學斷裂化

12、學7 7、與基礎學科的關系、與基礎學科的關系4/10/20224/10/2022138 8、與應用學科結合、與應用學科結合失效機械設計學失效機械設計學失失 效效 材材 料料 學學失效機械制造學失效機械制造學失失 效效 環(huán)環(huán) 境境 學學失失 效效 方方 法法 學學機械設計學機械設計學工工 程程 力力 學學斷斷 裂裂 力力 學學失失效效分分析析物理冶金學物理冶金學力學冶金學力學冶金學材料工藝學材料工藝學機制工藝學機制工藝學機機 修修 知知 識識腐蝕學腐蝕學摩擦學摩擦學無損探傷無損探傷/模糊判斷學模糊判斷學微分析學微分析學/數理統(tǒng)計學數理統(tǒng)計學金相學金相學/可靠性工程學可靠性工程學4/10/2022

13、4/10/2022141. 1. 發(fā)展歷程發(fā)展歷程特特 征征年年 代代 階階 段段1950S至今至今工業(yè)革命前工業(yè)革命前 1940S工業(yè)革命前工業(yè)革命前現代物理檢測技術現代物理檢測技術集斷裂特征分析、力學分析、結構分析、集斷裂特征分析、力學分析、結構分析、 材料抗力分析和可靠性分析于一體材料抗力分析和可靠性分析于一體全國性失效分析中心及失效分析學會成立全國性失效分析中心及失效分析學會成立出現大量的失效分析專著和論文集出現大量的失效分析專著和論文集宏觀檢測和光學金相觀測分析宏觀檢測和光學金相觀測分析現象描述和憑經驗分析現象描述和憑經驗分析現現 代代失效分析失效分析近近 代代失效分析失效分析初級初

14、級分析分析4/10/20224/10/2022152. 2. 國內外失效分析現狀國內外失效分析現狀1) 1) 中國中國 1970后為失效分析的新時期后為失效分析的新時期 成立了中央部委失效分析研究中心、各類理化實驗室及成立了中央部委失效分析研究中心、各類理化實驗室及 試驗研究中心、失效分析委員會試驗研究中心、失效分析委員會 重大失效事故：重大失效事故： 國家組織攻關組或分析小組國家組織攻關組或分析小組 一般失效事故：一般失效事故： 單位委托專家分析單位委托專家分析 常舉辦全國性和地方性的失效分析學術活動常舉辦全國性和地方性的失效分析學術活動 工程技術刊物開辟了失效分析專欄工程技術刊物開辟了失效

15、分析專欄 失效分析、預測及預防知識的逐漸普及：出版了相關的失效分析、預測及預防知識的逐漸普及：出版了相關的教材、專著及技術叢書，高校有關專業(yè)增設失效分析課程教材、專著及技術叢書，高校有關專業(yè)增設失效分析課程4/10/20224/10/202216 鐘群鵬鐘群鵬-失效分析基礎失效分析基礎 上海交大上海交大-金屬斷口分析金屬斷口分析 褚武揚褚武揚-斷裂與環(huán)境斷裂斷裂與環(huán)境斷裂 劉正義劉正義-機械裝備失效分析圖譜機械裝備失效分析圖譜 陳伯蠡陳伯蠡-焊接工程欠缺分析與對策焊接工程欠缺分析與對策 吳望周吳望周-化工裝備斷裂失效分析基礎化工裝備斷裂失效分析基礎 機械工業(yè)委員會機械工業(yè)委員會-失效分析失效分

16、析培訓教材培訓教材 機械工程學會材料分會機械工程學會材料分會-機械產品失效分析機械產品失效分析叢書叢書 胡世炎胡世炎-破斷故障金相分析破斷故障金相分析及及機械失效分析手冊機械失效分析手冊 張張 棟棟-機械失效的實用分析機械失效的實用分析及及機械失效的痕跡分析機械失效的痕跡分析4/10/20224/10/202217 鄧文龍鄧文龍-金屬構件斷裂分析與防護金屬構件斷裂分析與防護 孫孫 智智-失效分失效分-基礎與應用基礎與應用 竇照英竇照英-承壓設備失效分析與處理承壓設備失效分析與處理化工設備事故分析與預防及應急處理技術實用手冊化工設備事故分析與預防及應急處理技術實用手冊國外石油化工事故案例國外石油

17、化工事故案例化工事故案例分析與防范化工事故案例分析與防范石油化工企業(yè)事故案例剖析石油化工企業(yè)事故案例剖析鍋爐壓力容器爆炸事故案例剖析鍋爐壓力容器爆炸事故案例剖析化工爆炸事故案例化工爆炸事故案例化工設備突發(fā)事故處理與分析預防技術規(guī)范實務全書化工設備突發(fā)事故處理與分析預防技術規(guī)范實務全書安全生產事故典型案例評析全集安全生產事故典型案例評析全集4/10/20224/10/2022184/10/20222)2)國外如美國國外如美國 原子能、宇航部門：原子能、宇航部門：失效分析主要由國家研究機構承擔失效分析主要由國家研究機構承擔 民用工業(yè)部門：民用工業(yè)部門：失效分析主要由一些公司承擔失效分析主要由一些公

18、司承擔 失效分析與保險公司和法院關系最密切，常以官司結案失效分析與保險公司和法院關系最密切，常以官司結案 美國金屬學會美國金屬學會(ASM):How Components Fail(1966) 美國機械工程師學會美國機械工程師學會(ASME) 、美國材料與試驗學會美國材料與試驗學會(ASTM) ASTM 1975年在年在金屬手冊金屬手冊中增設加中增設加“失效分析與預防失效分析與預防” “Failure Analysis and Prevention” Jack A. Colins 1981年編著年編著機械設計中的材料失效機械設計中的材料失效教材，教材， Failure of Materials

19、 in Mechanical Design4/10/2022194/10/2022191 1） 促進科學技術的發(fā)展促進科學技術的發(fā)展例例1： 19世紀中期，火車軸頻發(fā)斷裂，原因是疲勞。世紀中期，火車軸頻發(fā)斷裂，原因是疲勞。疲勞的研究促進了疲勞的研究促進了斷裂力學斷裂力學和和材料強度學材料強度學的發(fā)展。的發(fā)展。例例2： 二戰(zhàn)期間，美國焊接結構二戰(zhàn)期間，美國焊接結構“自由輪自由輪”在美國在美國-冰冰島島-英國航線上發(fā)生千余次斷裂破壞事故，原因是碳英國航線上發(fā)生千余次斷裂破壞事故，原因是碳鋼和低合金鋼在低溫出現脆性。鋼和低合金鋼在低溫出現脆性。低溫脆性的研究促低溫脆性的研究促進了低溫材料的發(fā)展。進了

20、低溫材料的發(fā)展。3. 3. 失效分析意義失效分析意義4/10/2022204/10/2022202 2）提高構件、裝備的質量）提高構件、裝備的質量例例1：日本問題轎車的召回制日本問題轎車的召回制零件內在質量大大提高零件內在質量大大提高3. 3. 提高經濟提高經濟/ /社會效益社會效益例例2：20世紀世紀20年代年代奧氏體不銹鋼的腐蝕失效奧氏體不銹鋼的腐蝕失效提出晶間貧鉻腐蝕提出晶間貧鉻腐蝕選擇性腐蝕選擇性腐蝕沉淀相腐蝕理論沉淀相腐蝕理論開發(fā)不銹鋼新鋼種開發(fā)不銹鋼新鋼種4/10/202221 尋找失效構件及相關實物證據尋找失效構件及相關實物證據 宏觀分析和推理，初步確定失效類型宏觀分析和推理，初

21、步確定失效類型 必要的微觀分析、理化檢驗，再查找失效原因必要的微觀分析、理化檢驗，再查找失效原因 綜合確定整個失效過程及其失效原因間的聯(lián)系綜合確定整個失效過程及其失效原因間的聯(lián)系 必要時模擬試驗，驗證因果分析的正確性必要時模擬試驗，驗證因果分析的正確性1 1、 主要任務主要任務4/10/20224/10/202222 徹底的徹底的求實求實精神和精神和嚴謹嚴謹的工作態(tài)度的工作態(tài)度 敏銳敏銳的觀察力和的觀察力和熟練熟練的分析技術的分析技術 正確正確的失效分析思路和的失效分析思路和良好良好的判斷能力的判斷能力 善于學習善于學習 扎實扎實的專業(yè)基礎和的專業(yè)基礎和寬廣寬廣的知識面的知識面2 2、 應備素

22、質應備素質4/10/20224/10/2022231 1、教材、教材 莊東漢主編莊東漢主編 材料失效分析材料失效分析華東理工大學出版社華東理工大學出版社4/10/20224/10/2022242 2、主要內容、主要內容4/10/20224/10/202225汽車離合器殼體開裂失效分析失效分析案例4/10/20224/10/202226汽車離合器殼體汽車離合器殼體4/10/20224/10/2022271、粗、粗步步分析分析 離合器殼體由鋁合金鑄造鋁合金鑄造而成。一個殼體破斷為兩部分，一個殼體一側的裂紋長220mm，另一側有一條15mm長的裂紋。裂紋的起始位置均在殼體側面下方的交界處。殼體側面的

23、內表面呈135和90夾角，無明顯的過渡園角。裂紋擴展方向與該處所受拉應力的方向垂直。2、現場調研、現場調研 離合器安裝情況：離合器左邊與發(fā)動機相聯(lián)，右邊與變速器相聯(lián)。離合器殼體受到較大彎矩作用。發(fā)動機工作時, 殼體受到強烈振動。 殼體下部受到瞬時大的拉應力作用，在應力集中處容易產生裂紋造成開裂或破斷。3、顯微鏡下觀察、顯微鏡下觀察 斷裂面有放射狀撕裂棱。斷面上有許多閃光的小點，同時發(fā)現有園形、橢園形的空洞。最大的一個橢園形孔洞尺寸為0.6mm1.2mm。這些空洞的內表面呈熔融金屬凝固態(tài)，為鑄造缺陷氣孔。分析步驟分析步驟4/10/20224/10/2022284、顯微分析、顯微分析 觀察裂紋形態(tài)及擴展方向。裂紋端部位于殼體兩側面內表面相交處，裂紋上及其附近有大大小小的氣孔，裂紋垂直于殼體邊緣擴展。 4/10/20224/10/202229 金相顯微組織由白色的a固溶體+灰色的條狀及小塊狀的Si晶體+黑色細針狀Al-Si-Fe化合物組成。黑色針狀Al-Si-Fe化合物為有害相，導致殼體材料的韌性下降。裂紋穿