复旦大学材料失效分析ppt

材料失效分析FailureAnalysisofMaterials主讲教师杨振国主讲教师：杨振国单位：材料科学系单位：材料科学系办公室：先进材料楼407室联系方式：[e-mail]65642523（O）65642523（O）复旦大学材料科学系2013.9课程基本信息教学团队：杨振国、方晓生、蒋益明、江素华课程类型：通识课程公选修课（36学时）课程代码：MATE130025.01课程内容：理论(18学时)+应用(18学时)课程网址：成绩评定：平时成绩平时成绩++读书报告读书报告+PPT+PPT介绍介绍））2(30(30％％))(30(30％％))（（4400%%））第一章材料失效分析概论11失效分析概况1.1失效分析概况12失效分析的基本概念1.2失效分析的基本概念13失效分析的基本内容1.3失效分析的基本内容14失效分析学科的发展历程1.4失效分析学科的发展历程15失效分析工作者的应有素质1.5失效分析工作者的应有素质1.1失效分析概况1.1.1失效的基本状况失效问题每时每刻在发生，遍及各行各业。失效问题每时每刻在发生，遍及各行各业。各国每年因失效造成的经济损失约占该国GDP的2~4%我国2011年2012年的GDP分别4715642~4%。我国2011年、2012年的GDP分别471564亿元、519322亿元，以4%估算，损失值分别高达18862亿元(2011)20772亿元(2012)损失巨18862亿元(2011)、20772亿元(2012)，损失巨大。因此，失效分析一直受到人们的广泛重视和研究。1.1.2失效分析的特点失效分析是一门面向应用、面向工程、面向未来失效分析是门面向应用面向程面向未来的学科，它有二个基本特点：(1)综合性：涉及许多学科和技术门类，呈学科交叉性；()综合性涉及许多学科和技术门类，学科交叉性；(2)经济性：与国民经济发展紧密相连，应用极其广泛。1.1失效分析概况1.1.3失效分析的作用●失效分析是综合运用材料科学基础知识和其他技●失效分析是综合运用材料科学基础知识和其他技术科学开展事故分析与预防的，因而是一门发展中的、交叉性的综合性学科它的作用和意义主要有：交叉性的综合性学科。它的作用和意义主要有：（1）防止或减少重大事故的再发生，保障社会稳定；（）防止或减少重大事故的再发生，保障社会稳定；（2）明确事故的责任，维护用户的正当权益；（3）吸取经验教训，提高产品质量和可靠性；（4）通过逆向工程分析为经济索赔提供技术依据（4）通过逆向工程分析，为经济索赔提供技术依据；（5）促进材料科学的技术进步，为开发新材料和改进（）促进材料科学的技术进步，为开发新材料和改进基础材料的性能从理论上指明方向。1.2失效分析的基本概念1.2.1失效的定义●《●《新华词典新华词典》》的定义的定义**●《●《新华词典新华词典》》的定义的定义丧失功效或效力。丧失功效或效力。**《《新华词典新华词典》》:p757,1982.:p757,1982.●●国标国标GB3187GB31878282《《可靠性基本名词术语及定义可靠性基本名词术语及定义》》●●国标国标GB3187GB3187--8282《《可靠性基本名词术语及定义可靠性基本名词术语及定义》》的定义的定义失效失效“产品丧失规定的功能对可修复产品“产品丧失规定的功能对可修复产品失效失效——“产品丧失规定的功能，对可修复产品“产品丧失规定的功能，对可修复产品通常称为故障。”通常称为故障。”●●《材料大辞典》的定义*失效，又称复合材料的破坏，指复合材料在经过某些物理、化学过程后（如载荷作用、材料老化、温度和湿度变化等）发生了尺寸、形状、性能的变化而丧失了规定的功能而丧失了规定的功能。*师昌绪主编.材料大辞典.化学工业出版社,1994,p851.1.2失效分析的基本概念●●《《美国金属学会手册》的定义*按照《ASMHandbook》的定义，服役的任何构件出现以下三种状态之一时即为失效：构件出现以下三种状态之一时即为失效：（1）完全不能修复时；（2）仍可以使用，但不能满意地达到规定的功能时；（3）受到严重损伤而不能继续安全可靠地使用时。*ASMHandbook.Vol.11：FailureAnalysisandPrevention(10thEd.).ASMInternational,2002.1.2失效分析的基本概念●●失效的新定义*失效(failure)是指产品(构件)因微观结构和失效(failure)是指产品(构件)因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到规定的功能。根据其严重性失效也可称为事件(iidt)根据其严重性，失效也可称为事件(incident)、事故(accident)或故障(fault)。原子的电子结构局部腐蚀部磨损原子间相互作用原子团三维分布微观结构局部磨损过度变形外观形态原子团三维分布显微组织形态表面异物形*杨振国.论失效分析的本质及其内在关系.理化检验-物理分册：2013年全国失效分析学术会议专辑,2013,49(S2):1-3.1.2失效分析的基本概念11.2.2失效分析的内容失效分析的内容失效分析是对失效构件为查明失效起因并采取预失效分析是对失效构件为查明失效起因并采取预失效分析是对失效构件为查明失效起因并采取预失效分析是对失效构件为查明失效起因并采取预防措施而进行的一切技术活动。防措施而进行的一切技术活动。它相当于它相当于材料诊断学材料诊断学，，各仪方法各仪方法对缺陷行对缺陷行综综运用运用各种分析仪器和方法，各种分析仪器和方法，对断口（缺陷）进行对断口（缺陷）进行综合综合分析，分析，查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再分析，分析，查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再发生，一般应包含五项内容：发生，一般应包含五项内容：(1)(1)判定判定失效模式失效模式（fild）(1)(1)判定判定失效模式失效模式（failuremode）(2)(2)界定界定失效失效缺陷缺陷（failuredefect）(3)(3)鉴定鉴定失效机理失效机理（failuremechanism）(4)(4)确定确定失效失效起因起因（failurecause）(4)(4)确定确定失效失效起因起因（failurecause）(5)提出解决解决对策对策（countermeasure）1.2失效分析的基本概念1.2.3失效分析的相互关系●失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、失效机◆◆失效模式失效模式●失效分析是确定构件的失效模式失效缺陷失效机理与失效起因的相互关系失效模式是指构件失效后的外观形式，即可观察的、可测量的失效的宏观特征比如脆性断裂疲劳开裂◆◆失效模式失效模式可测量的失效的宏观特征。比如：脆性断裂、疲劳开裂、接触磨损等。根据构件失效的宏观特征失效模式应有五种根据构件失效的宏观特征，失效模式应有五种：(1)断裂(fracture)(2)腐蚀(corrosion)(2)腐蚀(corrosion)(3)磨损(wear)(4)畸变(distortion)(4)畸变(distortion)(5)衰减(attenuation):微结构随时间、环境等因素渐变弱化1.2失效分析的基本概念◆◆失效缺陷失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。比如：裂纹、腐蚀坑、磨损带、分层等。◆◆失效机理失效机理是致使构件失效所发生的物理、化学的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀模式下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。◆◆失效起因失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。比如：超载、疲劳载荷、电极电位差、微动摩擦等。1.2失效分析的基本概念●泰坦尼克号的失效模式、机理、缺陷与起因的关系泰坦尼克号是20世纪初世界上最大的豪华游轮。泰坦尼克号是20世纪初世界上最大的豪华游轮。它长260m、宽28m、高51m、吨位46328t，可载客3000多人总耗资7500万英镑船体结构的设计采客3000多人，总耗资7500万英镑。船体结构的设计采用了双壳层和十六个相互隔离的水密舱等安全措施，因而当时被认为是艘“永不沉没的”巨轮而当时被认为是一艘永不沉没的巨轮。它的处女航是在1912年4月10日从英国南安普顿出发前往纽约的，航速为22节，但4月14日晚11:40分在北大西洋与一块漂浮的大冰山相撞，由于船体左侧六个前仓壳体破裂进水，2小时47分后就沉没了。船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬生海船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬生海底，这是迄今为止世界上发生的最大的海事事故。●泰坦尼克号沉没过程解析(a)航行路线图1-1泰坦尼克号处女航路线图(b)出发时(c)航行中失事地点失事地点(a)冰山撞击地点(b)船体沉没断裂情景图1-2泰坦尼克号沉没过程图1-3沉没在北大西洋海底的泰坦尼克号船头●泰坦尼克号船板备用件的性能检验珠光体组织（白色）铁素体组织（灰色）MnS夹杂物（黑色）(a)泰坦尼克船板的金相组织脆断形貌延断形貌(b)泰坦尼克船板的冲击断口(c)现代船板的冲击断口(b)泰坦尼克船板的冲击断口(c)现代船板的冲击断口图1-4泰坦尼克号船板的金相组织和冲击断口1.2失效分析的基本概念●事故调查结论在对泰坦尼克号船板备用件进行材料性能检验后，在对泰坦尼克号船板备用件进行材料性能检验后，发现存在大量的MnS夹杂物,其纵横向韧脆转变温度分别为320C、560C,而当时的水温是-20C。分别为32C、56C,而当时的水温是2C。可以推定,泰坦尼克号与冰山相撞时的失效特征是脆性断裂(失效模式)这是因为船板及铆钉中均含有大脆性断裂(失效模式)，这是因为船板及铆钉中均含有大量的MnS夹杂物脆性相和其他超标有害元素P等。船板在冰山的持续碰撞和水流的波动作用下在夹杂物处引在冰山的持续碰撞和水流的波动作用下，在夹杂物处引发了许多裂纹(失效缺陷)，这些裂纹随后发生了快速疲劳扩展(失效机理)最终导致了船板的断裂劳扩展(失效机理)，最终导致了船板的断裂。因此，泰坦尼克号的失效是由船板和铆钉内大量的MS夹杂物和冰山撞击力的相互作用下发生的疲劳断MnS夹杂物和冰山撞击力的相互作用下发生的疲劳断裂而导致的(失效起因)。1.3失效分析的基本特点1.3.1失效分析的内在关系从本质上讲，任何材料的失效过程都会经历从产品从质讲，任何料的效都会历从产到构件、从构件到损伤的二个不同阶段，即“六品”、“五件”“四化”正确理解它们的本质含义及其内五件、四化。正确理解它们的本质含义及其内在关系，对开展有效的失效分析是至关重要的。●六品（产品）制品、成品、半成品、物品、次品、废品。制品、成品、半成品、物品、次品、废品。●五件（构件）零件、部件、组件、元件、器件。●四化（损伤）●四化（损伤）劣化(微观)、退化(细观)、脆化(宏观)、老化(外观)。1.3失效分析的基本特点1.3.2失效分析的复杂性一项事故的发生，一般不是仅由一种因素引起的，项事故的发，般不是仅由种因素引起的，常常涉及多种因素的相互作用。例如，2011年7月23日发生在浙江的甬温线高速动车追尾相撞事故，造成日发生在浙江的甬温线高速动车追尾相撞事故，造成40人死亡、193人受伤的重大事件，便是一个典型案例。这是一起由设备故障、操作不当等多种因素交互作用引这是起由设备故障、操作不当等多种因素交互作用引起的失效事故。信号灯红变绿事故现场信号灯红变绿事故现场图1-5甬温段两辆高铁之间的撞车事故1.3失效分析的基本特点图1-6甬温段两辆高铁相撞后的事故现场1.3失效分析的基本特点1.3.3失效分析的综合性产品质量管理般实行五要素”法或“六要素”产品质量管理一般实行五要素”法或“六要素”法管理：“人、机、料、法、环”（4M1E分析法）“人、机、料、法、环、测”（5M1E分析法）但产品的失效分析更复杂，分析人员不仅需要有材料、工艺、结