試論工程材料失效分析課件

12五月2024試論工程材料失效分析2.失效程度嚴(yán)重事故零件部件機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)設(shè)備輕微失效中度失效xx失控/爆炸等斷裂/應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂/氫脆等變形/磨損/輕微腐蝕等1.什么是失效？失效是對(duì)設(shè)備及其構(gòu)件再使用過(guò)程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進(jìn)行分析研究，找出產(chǎn)生失效的主要原因及防止失效的措施。一、失效與事故5/12/2024★不可查的：太多太多！3.頻發(fā)性★可查的：資料、圖書(shū)、檔案、網(wǎng)絡(luò)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局4.失效、事故的損失及危害★直接的★間接的★目前的★長(zhǎng)期的5/12/2024二、抗失效意義1.促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展例1：19世紀(jì)中期，火車(chē)軸頻發(fā)斷裂，原因是疲勞。疲勞的研究促進(jìn)了斷裂力學(xué)和材料強(qiáng)度學(xué)的發(fā)展。例2：二戰(zhàn)期間，美國(guó)焊接結(jié)構(gòu)“自由輪”在美國(guó)-冰島-英國(guó)航線上發(fā)生千余次斷裂破壞事故，原因是碳鋼和低臺(tái)金鋼在低溫出現(xiàn)脆性。低溫脆性的研究促進(jìn)了低溫材料的發(fā)展。5/12/20242.提高構(gòu)件、裝備的質(zhì)量例1：日本問(wèn)題轎車(chē)的召回制→零件內(nèi)在質(zhì)量大大提高3.提高經(jīng)濟(jì)/社會(huì)效益例2：20世紀(jì)20年代→奧氏體不銹鋼的腐蝕失效→提出晶間貧鉻腐蝕／選擇性腐蝕／沉淀相腐蝕理論→開(kāi)發(fā)不銹鋼新鋼種5/12/2024三、失效形式及原因1.失效形式變形失效斷裂失效腐蝕失效磨損失效局部腐蝕失效均勻腐蝕失效塑性變形失效彈性變形失效疲勞斷裂失效韌性斷裂失效脆性斷裂失效5/12/20242.失效原因設(shè)計(jì)不合理，如工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練選材不當(dāng)及材料缺陷制造工藝不合理使用操作不當(dāng)和維護(hù)不當(dāng)5/12/2024舉例：設(shè)計(jì)不當(dāng)容器碟形封頭按GBl50規(guī)定的強(qiáng)度公式進(jìn)行強(qiáng)度尺寸計(jì)算，原要求過(guò)渡區(qū)尺寸r／Di≥0.06％，后修訂為按r／Di≥0.10％進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大減少了過(guò)渡區(qū)失效的發(fā)生。5/12/2024無(wú)折邊錐形封頭使用范圍半錐角α≤30°也是失效得來(lái)的教訓(xùn)。2004年，某酒精廠蒸煮鍋上封頭采用α=80°的無(wú)折邊錐形封頭，在0.5MPa的工作壓力下操作發(fā)生爆炸引起事故。改進(jìn)5/12/2024舉例：選材不當(dāng)1)

構(gòu)件高溫蠕變失效屢見(jiàn)不鮮某廠的火管鍋爐，殼體材料為16MnR，火管材料為10g無(wú)縫鋼管，流體入口溫度超過(guò)1000℃，出口溫度為240℃，壓力為4MPa。此火管使用一段時(shí)間后，局部過(guò)熱而燒穿。

原因：高溫爐管選材不合理，應(yīng)選含Cr、Mo高的合金鋼管替代10g鋼。5/12/20242)某廠原使用一臺(tái)進(jìn)口的管殼式熱交換器，殼體及管子均為18-8鉻鎳不銹鋼，基于生產(chǎn)需要按原圖紙?jiān)偌庸ひ慌_(tái)，把殼體改為低碳鋼/18-8鉻鎳復(fù)合鋼板，管子仍為18-8鉻鎳不銹鋼，投入使用即發(fā)生殼體橫向開(kāi)裂。原因：①管殼因材料熱膨脹系數(shù)差異引起過(guò)大的軸向溫差應(yīng)力；②選用復(fù)合鋼板后未對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)作改進(jìn)。5/12/2024四、與其它學(xué)科的關(guān)系失效分析可靠性分析質(zhì)量管理測(cè)試技術(shù)無(wú)損檢測(cè)工程力學(xué)概率統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)工程模糊數(shù)學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)工藝學(xué)腐蝕科學(xué)摩擦學(xué)斷口學(xué)痕跡學(xué)裂紋學(xué)金相學(xué)材料學(xué)斷裂物理斷裂力學(xué)斷裂化學(xué)1.與基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)系5/12/2024●與基礎(chǔ)學(xué)科結(jié)合

2.與基礎(chǔ)學(xué)科交叉融合失效分析化學(xué)力學(xué)物理數(shù)學(xué)

失效機(jī)理學(xué)

可靠性數(shù)學(xué)失效數(shù)學(xué)

損傷力學(xué)失效力學(xué)

失效環(huán)境學(xué)失效化學(xué)5/12/2024●與應(yīng)用學(xué)科結(jié)合失效機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)失效材料學(xué)失效機(jī)械制造學(xué)失效環(huán)境學(xué)失效方法學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)工程力學(xué)斷裂力學(xué)＋失效分析物理冶金學(xué)力學(xué)冶金學(xué)材料工藝學(xué)＋機(jī)制工藝學(xué)機(jī)修知識(shí)＋腐蝕學(xué)摩擦學(xué)＋無(wú)損探傷/模糊判斷學(xué)微分析學(xué)/數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)金相學(xué)/可靠性工程學(xué)＋5/12/2024五、失效分析發(fā)展概況1.發(fā)展歷程特征年代階段1950’S～至今工業(yè)革命前～1940’S工業(yè)革命前①現(xiàn)代物理檢測(cè)技術(shù)②集斷裂特征分析、力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、材料抗力分析和可靠性分析于一體③全國(guó)性失效分析中心及失效分析學(xué)會(huì)成立④出現(xiàn)大量的失效分析專(zhuān)著和論文集宏觀檢測(cè)和光學(xué)金相觀測(cè)分析現(xiàn)象描述和憑經(jīng)驗(yàn)分析現(xiàn)代失效分析近代失效分析初級(jí)分析5/12/20242.國(guó)內(nèi)外失效分析現(xiàn)狀1)中國(guó)◆1970后為失效分析的新時(shí)期◆成立了中央部委失效分析研究中心、各類(lèi)理化實(shí)驗(yàn)室及試驗(yàn)研究中心、失效分析委員會(huì)…◆重大失效事放：國(guó)家組織攻關(guān)組或分析小組一般失效事放：?jiǎn)挝晃袑?zhuān)家分析◆常舉辦全國(guó)性和地方性的失效分析學(xué)術(shù)活動(dòng)工程技術(shù)刊物開(kāi)辟了失效分析專(zhuān)欄◆失效分析、預(yù)測(cè)及預(yù)防知識(shí)的逐漸普及：出版了相關(guān)的教材、專(zhuān)著及技術(shù)叢書(shū)，高校有關(guān)專(zhuān)業(yè)增設(shè)失效分析課程5/12/2024鐘群鵬--《失效分析基礎(chǔ)》上海交大--《金屬斷口分析》褚武揚(yáng)--《斷裂與環(huán)境斷裂》劉正義--《機(jī)械裝備失效分析圖譜》陳伯蠡--《焊接工程欠缺分析與對(duì)策》吳望周--《化工裝備斷裂失效分析基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)委員會(huì)--《失效分析》培訓(xùn)教材機(jī)械工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)--《機(jī)械產(chǎn)品失效分析》叢書(shū)胡世炎--《破斷故障金相分析》及《機(jī)械失效分析手冊(cè)》張棟--《機(jī)械失效的實(shí)用分析》及《機(jī)械失效的痕跡分析》5/12/2024

鄧文龍--《金屬構(gòu)件斷裂分析與防護(hù)》孫智--《失效分-基礎(chǔ)與應(yīng)用》竇照英--《承壓設(shè)備失效分析與處理》《化工設(shè)備事故分析與預(yù)防及應(yīng)急處理技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》《國(guó)外石油化工事故案例》《化工事故案例分析與防范》《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》《化工爆炸事故案例》《化工設(shè)備突發(fā)事故處理與分析預(yù)防技術(shù)規(guī)范實(shí)務(wù)全書(shū)》《安全生產(chǎn)事故典型案例評(píng)析全集》含“化工事故典型案例評(píng)析”5/12/20242)美國(guó)◆原子能、宇航部門(mén)：失效分析主要由國(guó)家研究機(jī)構(gòu)承擔(dān)民用工業(yè)部門(mén)：失效分析主要由一些公司承擔(dān)◆失效分析與保險(xiǎn)公司和法院關(guān)系最密切，常以官司結(jié)案

◆美國(guó)金屬學(xué)會(huì)(ASM):《HowComponentsFail》(1966)美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)、美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)

◆ASTM1975年在《金屬手冊(cè)》中增設(shè)加“失效分析與預(yù)防”“FailureAnalysisandPrevention”◆JackA.Colins1981年編著《機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料失效》教材，《FailureofMaterialsinMechanicalDesign》5/12/2024六、工作人員的任務(wù)和素質(zhì)要求①尋找失效構(gòu)件及相關(guān)實(shí)物證據(jù)②宏觀分析和推理，初步確定失效類(lèi)型③必要的微觀分析、理化檢驗(yàn)，再查找失效原因④綜合確定整個(gè)失效過(guò)程及其失效原因間的聯(lián)系⑤必要時(shí)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證因果分析的正確性1.主要任務(wù)5/12/2024①?gòu)氐椎那髮?shí)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度②敏銳的觀察力和熟練的分析技術(shù)③正確的失效分析思路和良好的判斷能力④善于學(xué)習(xí)⑤扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和寬廣的知識(shí)面2.應(yīng)備素質(zhì)5/12/2024事故報(bào)道：太多太多了！5/12/20242006.5.18西柏坡發(fā)電廠發(fā)生的鍋爐爆炸事故：３死８?jìng)?，原因?yàn)殄仩t高溫蒸汽泄漏爆炸所致。

2005.12.6安徽鳳臺(tái)發(fā)生氨氣泄漏事故，3死4傷。2005.11.16中石油吉林石化公司雙苯廠苯胺裝置11月13日發(fā)生爆炸著火嚴(yán)重事故，造成5人死亡，2人重傷，21人輕傷，1人下落不明。

事故發(fā)生后，疏散群眾達(dá)1萬(wàn)多人。5/12/2024

★★1984.12.3

美國(guó)碳聯(lián)公司印度博帕爾市農(nóng)藥廠異氰酸甲酯泄漏事故--世界工業(yè)史上絕無(wú)僅有的慘案。

死亡近四千人，受害20多萬(wàn)人，5萬(wàn)人失明，孕婦流產(chǎn)或產(chǎn)下死嬰，受害面積40平方公里，數(shù)千頭牲畜被毒死?！铩?986.4.26蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站4號(hào)核反應(yīng)堆爆炸--慘劇開(kāi)始了。

當(dāng)場(chǎng)31人死亡，附近13萬(wàn)多人被迫撤離，隔離區(qū)成為“死亡區(qū)”，間接導(dǎo)致5.5萬(wàn)人喪生，7萬(wàn)人成為殘疾人，30多萬(wàn)人受放射傷害死去。有些成為慘案和慘劇----慘不忍睹！5/12/20241986年4月26日凌晨的1點(diǎn)23分，前蘇聯(lián)烏克蘭地區(qū)切爾諾貝利核電站4號(hào)核反應(yīng)堆一聲爆炸,帶來(lái)了人類(lèi)和平利用核能史上的慘劇?！镎鹛炀揄?，廠房被炸飛，墻壁坍塌，火光四起，烈焰沖天，火柱高達(dá)30多米。★核輻射通過(guò)風(fēng)力、雨水等傳播途徑，污染了烏克蘭、白俄羅斯、俄羅斯等一些堪稱(chēng)世界上最富饒的土壤，20多萬(wàn)平方公里的地區(qū)(居民694.5萬(wàn))，附近13萬(wàn)多人被迫撤離?！锖穗娬局?chē)?0公里范圍被劃為隔離區(qū)，約60萬(wàn)人進(jìn)入隔離區(qū)進(jìn)行清理?yè)尵裙ぷ?，莊稼被全部掩埋，周?chē)?000米內(nèi)的樹(shù)木逐漸死亡。5/12/2024★83.4萬(wàn)救援人員中，已有5.5萬(wàn)人喪生，7萬(wàn)人成為殘疾人，30多萬(wàn)人受放射傷害死去。烏克蘭共有250萬(wàn)人因切爾諾貝利核事故而身患各種疾病，其中包括47.3萬(wàn)兒童?！锏侥壳盀橹?，還有200萬(wàn)人不得不生活在核污染區(qū)，其中包括48萬(wàn)不滿17歲的少年兒童?！飺?jù)預(yù)計(jì)，切爾諾貝利核事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失在2350億美元以上。★在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)里，隔離區(qū)成為“死亡區(qū)”:10公里范圍以?xún)?nèi)不能耕作、放牧，100公里范圍內(nèi)10年內(nèi)禁止生產(chǎn)牛奶。5/12/2024核輻射對(duì)兒童