1失效分析概论

out金属材料失效分析河海大学力学与材料学院硕士课程第一讲概论（Failureanalysisofmetallicmaterials）out2第一讲失效分析概论第一节失效实例第二节失效类型及原因第三节失效分析原理第四节失效分析程序第五节失效分析工具out第一节失效实例在我们的周围，大到各种机械装置、工程设备、运输机械、锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，失效总是在发生着。实例视频何为失效?指机械/设备及零部件等在使用过程中由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而导致其不能完满地完成指定的功能，或者丧失了原设计功能的现象。随着科技的进步，材料使用日趋多元化、恶劣化，失效导致的损坏也往往极为惨重！out4•空难事件1986年，美国挑战者号宇宙飞船在升空1分钟后爆炸，造成7名宇航员罹难。左图：肇事的低温硬化脆裂密封橡皮环最初猜测：宇宙飞船两侧的固态火箭推进器发生氢脆破裂造成燃烧？调查结果：火箭推进器下方的O型密封橡皮环在火箭点火待命发射前因需要冷却而产生低温硬化脆裂，使氢气泄漏，在宇宙飞船升空后引发爆炸。out5机翼引擎的固定螺杆断裂1979年华盛顿机场起飞DC-10客机坠毁过程分析——美国民航史上重大惨案，共死亡275人,整个过程仅50秒钟。out6由于一个关键零件材料的失效引发的空难事件并不罕见!out7飞机尾翼控制联动盘索破断out8Aloha航空公司的波音737事故。在夏威夷上空飞行时飞机舱盖断裂。事故调查结论是舱盖的强度因严重的腐蚀和疲劳而降低。飞机舱盖断裂飞行中的飞机着陆后的机身out9著名实例1956年后，美国造船钢板含C量由0.23%降至0.21%,而含Mn量由0.75%增加至0.95%,以使其韧-脆性转变温度由0℃降至-14℃.船身断开out101998年德国高铁出轨事故1998年6月3日，德国汉诺威开往汉堡的高速列车（ICE）出轨并撞上陆桥，101人死亡。发生后三天，所有此型号火车停驶进行全面检测。鉴定报告推测是火车轮箍发生疲劳破损，从车轮上松脱并卡在轮对上，列车行进只一处转撤器时终于出轨。重新运行后，最高时速由280KM降至160KM，随后德铁DB更换了被认为是事故原因的此型号火车的全部车轮。out11材料失效导致的严重个案蒸汽锅炉爆炸out12out13out14out15地下瓦斯钢管长期受其上方横过的污水管路腐蚀，造成管壁局部变薄而无法承受正常瓦斯压力，终于泄漏及爆炸！out16失效分析是从事材料工作者必需的知识与工具!材料失效分析相当于“材料诊断学”→当材料发生失效时,利用各种仪器及方法,从断口形貌观察及破坏成分分析,推断破坏进行机制,并借此寻求失效原因,以便对症下药,或者表面重蹈覆辙。失效分析的重点是分析失效的原因和采取预防措施，即所谓失效诊断和失效对策。out17●失效分析的意义失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生；失效分析是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键的技术环节；失效分析可为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、修改和制订产品质量标准等方面提供可靠科学依据；失效分析是技术开发、技术改造、技术进步和技术创新的“促进剂”。out18第二节失效类型及原因2.1材料失效的三大形式●机械力破坏●腐蚀性破坏●高温破坏失效并非意味着断裂●断裂●表面损伤●过量变形或out19材料破坏分类out202.2失效的原因①设计不合理引起的失效②材料中的缺陷引起的失效③加工制造中的缺陷引起的失效④操作不当引起的失效out21①设计不合理常会引起失效如:立式火管锅炉，壳体用16MnR，火管用10号无缝钢管，管内入口温度1250-1300℃，出口温240℃，压力4MPa。火管经一段时间使用后，发生局部过热而烧穿。把10号无缝钢管改为Cr5Mo钢后，就不再出现同类失效现象。常见错误：计算中的过载荷；外形上的应力集中；焊缝选择不当及配合不合适；选材错误；没有考虑使用条件和环境的影响等。选材不当out22图停靠在太平洋北港码头上的美国轮船Schenectady号的断裂经检查是由焊接缺陷引起的.out23②引起失效的材料缺陷铸件中的显微疏松、夹渣、成分偏析、收缩、微裂纹等。锻造件中的过热、过烧、锻造裂纹、流线分布不良、折叠等。out24③加工制造中的缺陷引起的失效切削加工中的缺陷(如:加工曲轴圆角时半径过小，造成应力集中等)；热处理中的缺陷；运输和安装中的缺陷；焊接和焊后热处理缺陷；加工热应力；表面处理不当(如酸洗、电镀时引起的氢脆等)。out25④操作不当引起的失效如：违反生产工艺规程、检修规程、安全技术规程等造成的失效事故。2005年12月29日“西雅图邮报”报道：麦道80客机在起飞20分钟后，在8000米高空突发巨响，飞行员紧急下降，避免了灾难。后经检查是机场运输工人在飞机起飞前将行李车撞上了飞机，产生了一个折痕。最后在飞行时不断扩展形成了一个大洞。美国航班在8000米高空裂个大洞out262.3材料破坏与材料加工材料破坏在工程上并非仅有负面意义在控制下的材料破坏行为!如:金属的锻造→典型的塑性变形研磨、抛光→磨损超声波加工→冲蚀电浆蚀刻→喷砂磨损电解研磨→电化学腐蚀材料加工→改变材料尺寸、形状及表面状态out27材料破坏与材料加工的关系加工（破坏）因子→加工执行的最小单元加工因子参与作用→加工（破坏）尺寸材料的加工性主要决定于材料的破坏参数(强度、硬度、破坏韧性等),而材料的加工精度取决于材料破坏的尺度以及对材料破坏的控制。原子操纵晶格破坏位错运动裂纹扩展out28第三节失效分析原理材料失效分析→材料破坏过程的回溯观察破坏特征分析破坏成分out29材料失效分析的基本原理out30第四节失效分析程序现场调研out31●现场调研(1)现场的保存；(2)损伤部分的摄影；(3)调查失效部件材料的性质(成分、加工工艺等)；(4)环境条件、操作条件的情况(温度、压力、pH值、浓度境条件发生变化及出现不正常操作的情况)；(5)直接听取责任者、当事人和现场目击者的情况阐述；(6)收集工作液体、腐蚀与未腐蚀材料及其他有关材料作为试样。out32实验室试验out33●实验室试验(1)断面分析(宏观分析：确定断面形貌和变形程度，判断裂源及其扩展方向微观分析：观察和分析微观的特征形貌，并由此确定断裂的类型)(2)腐蚀生成物分析(组成、结构、性能)；；(3)低倍实体检验和金相检验(包括夹杂物的类利、级别及分布，晶粒度大小、相的类型、数量和公布等；(4)机械性能测试和受力分析(如:硬度、拉伸和冲击试验、疲劳和腐蚀疲劳试验、应力腐蚀试验，测定脆性转变温度和断裂韧性等)；(5)腐蚀事故重现性试验。out34失效原因分析out35第五节失效分析工具与试样制备5.1断口形貌观察显微组织与断口表面特征在失效分析中起着突出作用。OM-SEM-TEM显微镜特性比较特性互补out36断口形貌观察仪器out375.2破坏成分分析断口形貌观察→最直接有时仍需借助破坏成分分析技术,以确定材料破坏的真正机制！●破坏成分分析表面成分分析(分析深度＜5nm)次表面成分分析(分析深度＜1000nm)本体成分分析(材料内部化学成分)。各有代表性仪器,针对各种不同的破坏机制需选择适当的成分分析仪器。out38各种表面分析工具的特性比较(分析深度＜5nm)AES俄歇光谱仪;ESCA光电子化学分析仪;SIMS二次离子质谱仪IMMA离子微探质谱仪;ISS离子散射光谱仪;LRS激光拉曼光谱仪俄歇光谱仪光电子化学分析仪二次离子质谱仪离子微探质谱仪离子散射光谱仪激光拉曼光谱仪out39各种次表面分析工具的特性比较(分析深度＜1000nm)EPMA电子微探分析仪;(WDX波长色散法;EDX能量色散法)XRFX射线荧光分析仪;RBS卢瑟福后散射光谱仪;MBS穆斯堡尔光谱仪X射线荧光分析仪卢瑟福后散射光谱仪out40out41本体成分分析确定材料选用种类是否有误湿法化学分析原子光谱仪AA原子吸收光谱（单纯组分分析）AE原子发射光谱（ICP-AE适合多元素分析）out425.3试样制备表面清理去除表面脏物/废屑?金属锈蚀产物?out43清理断口表面常用的技术侵袭程度增加out44out45out46out47温和out48out49out50小结失效分析是从事材料工作者必需的知识与工具!失效分析遵循一定的步骤解决材料失效分析的方法各不相同失效分析案例1out51out52目录1引言2理化检验2.1断口宏观检验2.2低倍检验2.3金相组织检验2.4断口微观检验2.5力学试验2.6化学成分分析3分析与讨论4结论out531引言图1万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌直径:860mm材质:17CrMnMo6out542.1断口宏观检验图2劈裂断口形貌图3图2局部放大放射痕暗灰色圆形斑点断裂源out552.2低倍检验（a）齿轮轴近中心部位(b)图2右边集中小圆形斑下层部位图4白点裂纹低倍形貌4out562.3金相组织检验图5锯切时,图2中上边的台阶自然分离脱落的光滑圆形斑形貌2out57图6图4(左)中取向不同的裂纹显微形貌out58图7齿轮轴贝氏体+铁素体组织形貌out592.4断口微观检验图8图3断裂源区电镜形貌out60图9圆形斑外围的准解理断口形貌out61图10裂纹扩展区的解理形貌out622.5力学检验力学性能试验结果（均值）试验状态Rp0.2（Mpa）Rm（Mpa）A（%）Z（%）常规拉伸51583013.524.0慢速拉伸---82012.016.5去氢拉伸52085019.553.0注:常规拉伸5支;慢速拉伸3支;去氢拉伸4支.out632.5力学检验式中：（%Z）u--去氢试样的拉伸延性（%Z）c--未去氢试样的拉伸延性E在0-1之间变化，E越大，则氢脆敏感性高。齿轮轴的脆化系数：uZcZuZE)(%)(%)(%脆化系数：55.00.530.240.53E说明齿轮轴材料已经脆化。out642.6化学分析齿轮轴的化学成分元素CSiMnPSCrNiMo轮轴0.1870.3070.5640.0130.00561.651.510.288DIN标准0.14/0.1900.15/0.400.40/0.60≤0.035≤0.0351.50/1.801.40/1.700.25/0.35非指定的元素含量Cu：0.240%、As：0.422%和Sn：0.013%；→较高的As和Sn会增加钢的回火脆性。Fe?out653分析与讨论杂质元素As和Sn与氢的共同作用降低了晶界的断裂抗力，加剧氢脆效应。圆形斑--断口不同取向的内裂--低倍不连续裂纹--金相波纹花样和条纹花样--微观out66劈裂机理原子态氢分子态氢体积膨胀内压增大晶格滑移显微裂纹二维扩展动态平衡停止扩展波纹花样条纹花样圆形斑out67在氢压作用下，裂纹尖端的大塑性区形成多个断裂源，扩展形成多个小裂面和二次裂纹。小裂面上和小裂面之间存在细小撕裂棱，其裂纹扩展的阻力大，推进量小，形成圆形斑外围为准解理特征。钢中氢含量较低的部位，合成氢产生的内压低于材料的临界应力，不会将钢胀裂形成白点，但聚集的氢使材料产生应力梯度，造成局部的内应力和应变，降低了材料的拉伸延性。这是齿轮轴的常规拉伸延性比时效处理后拉伸延性低以及慢拉伸的延性比常规拉伸低的原因，进一步证明了氢致脆化效应。out684结论1）齿轮轴早期劈裂是钢中白点造成的。2）慢速拉伸和常规拉伸材料的延性低于去氢处理的拉伸延性，证实了齿轮轴已发生了氢致脆化。3）齿轮轴中含量较高的As和Sn与氢共同作用加剧了脆化效应。4）在强度和硬度较高的齿轮轴中，产生白点所需的临界氢含量随钢的纯净度提高而降低。out69Ｂ、教学安排教学内容安排教学周历考核方式参考书out70教学内容安排概论３学时裂纹与断口分析３学时破坏成分分析３学时非破坏性检测(残余应力分析)３学时恒力破坏３学时疲劳破坏３学时磨损破坏３学时腐蚀破坏３学时高温破坏３学时材料因素引起的失效３学时设计阶段的失误与失效工艺因素