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材料失效分析Failureanalysisofmaterials中国石油大学蒋淑英课程目标主要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。了解失效分析的方法与手段，以及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。基本要求掌握失效分析方法的科学思维、逻辑推理方法和思路。掌握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。了解进行失效分析的测试技术，初步具备对测试结果进行分析的能力。主要内容绪论失效分析基础知识失效分析思路方法和基本程序失效分析的常规测试技术及选择失效分析技术-断口、裂纹、痕迹分析▲静载荷作用下的断裂失效分析疲劳断裂失效分析磨损与腐蚀失效分析实际构件失效分析案例压力容器与管道失效分析与安全评价实验-机械零件失效分析参考资料《金属构件失效分析》，廖景娱主编，化学工业出版社，2003；《失效分析—基础与应用》，孙智主编，机械工业出版社，2005；《机械零件失效分析与预防》，涂铭旌主编，高等教育出版社；《机械零件失效分析》，陈南平，清华大学出版社，1988；《失效分析与故障预防》，何德芳主编，冶金工业出版社，1990。考核方式考试方式：开卷成绩计算：考试成绩70%+平时成绩30%第一章绪论1.1失效与失效分析1.2失效分析的意义1.3金属构件的失效形式及失效原因1.4失效分析的现状与发展趋势1.1失效与失效分析1.失效——各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。零件失效包括三种情况：失效failure（1）由于断裂、腐蚀、磨损、变形等完全丧失其功能；（2）部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能；（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。例如，压力容器在运行中突然产生壳体开裂引起介质外泄或爆破，涡轮机在运转中突然发生叶片断裂而停止运转或使整机遭到破坏。例如，换热器流道变形、污垢堵塞使传热系数下降，压缩机气缸内壁腐蚀使排出气体压力下降。例如：锅炉和压力容器的安全阀失灵、火车或汽车的刹车失灵等。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。“失效”与“事故”2.失效分析FailureAnalysis是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。任务：揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，找出纠正和预防失效的措施。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故障。事后分析，是采用实验检测技术与方法，找出某个系统或零件失效的原因。通常所说的失效分析是指的事后分析。按照失效分析工作进行的时序和主要目的，失效分析可分为事前分析、事中分析和事后分析。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。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。失效分析与废品分析的区别：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。在失效分析时应将二者区分开来。例如，在分析某零件发生断裂的原因时，不能简单地根据该产品的某项技术指标不符合标准要求，就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。例:模数为7的传动齿轮，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32～28HRC，马氏体及残余奥氏体≤4级，渗碳层深度为1.3～1.5mm。该齿轮在使用中发生断齿失效，试分析断齿原因。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，均符合要求渗碳层深度为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。分析一：常规检查结果按失效分析的观点，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(掉下的齿形呈凸透镜状)，众多初裂纹源于表面加工缺陷处，经快速扩展后引起断裂，属过载类型的宏观脆性断裂。分析：该齿轮断齿失效是由于齿根加工质量不良产生的严重应力集中引起的。改进措施：提高齿根的加工质量，减少应力集中及防止过载。分析二实践证明这一分析结论是正确的。按照分析的观点，如果增加硬化层的深度至1.3～1.5mm，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，而且会增加此类断齿的危险性。1.2失效分析的意义一、失效分析可产生巨大的社会经济效益失效分析的巨大社会经济效益是显而易见的，它主要表现在以下几个方面。（1）失效将造成巨大的经济损失据化工部对全国51个中型合成氨厂的不完全统计，1971年到1979年，共发生受压容器重大失效事故260起，直接损失5493.2万元。1973年到1983年全国压力容器发生爆炸事故13起，锅炉爆炸事故957起。据美国1982年的统计表明，每年由于磨损、腐蚀和断裂失效造成的直接经济损失3600亿美元；日本由于腐蚀失效造成的直接经济损失4万亿日元，占当年国民经济生产总值的3％；原西德每年因摩擦磨损失效而造成的经济损失约100亿马克；我国机械行业因腐蚀失效造成的直接经济损失约300亿人民币，全国估计约高达2800亿人民币。产品发生失效后，往往造成整机的破坏甚至整个企业的生产停顿，由此将造成更大的间接损失。（2）质量低劣、寿命短导致重大经济损失一些量大面广的机械产品，由于质量低劣，使用寿命大大缩短，也将造成巨大的经济损失。齿轮、轴承、弹簧、轴及紧固件、工模具等是机械工业的基础件。一个具体件的失效，往往并不造成多大的经济损失，但是由于量大、涉及面广且失效频繁，由此而造成的经济损失也十分巨大。20世纪80年代，我国钢产量仅为日本的三分之一，而高速钢的消耗却为日本的三倍，其重要原因之一，就是模具用钢不合理及模具寿命低。热挤压用模具的寿命也有类似情况，国内不少厂家自制模具的使用寿命仅为日本进口模具的三分之一。除了模具的正常磨损等失效外，由于工艺原因造成的早期断裂占了相当大的比例。（3）提高设备运行和使用的安全性一次重大的失效可能导致一场灾难性的事故，通过失效分析，可以避免和预防类似失效，从而提高设备安全性。设备的安全性问题是一个大问题，从航空航天到电子仪表，从电站设备到旅游娱乐设施，从大型压力容器到家用液化气罐，都存在失效的可能性。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，可起到事半功倍的效果。通过失效分析，明确失效模式，找出失效原因，采取改正或预防措施，使同类失效不再发生，或者把产品的失效限制在预先规定的范围内，都可挽回巨额的经济损失，并可获得巨大的社会效益。二、失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高有些产品在使用中之所以会失效，常常是由于产品本身有缺陷，而这些缺陷在大多数情况下在出厂前是可以通过相应的检查手段予以发现的。但是由于出厂时漏检而进入市场，这就表明工厂的检验制度不够完善或者检验的技术水平不够高。产品在使用中发生的早期失效，有相当大的部分是因为产品的质量有问题。通过失效分析，将其失效原因反馈到生产厂并采取相应措施，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随着科学技术水平的不断提高及生产的不断发展，要求对原有的技术规范及标准作出相应的修订。各种新产品的试制及新材料、新工艺、新技术的引入也必须及时制订相应的规范及标准。而这些工作的正确进行，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。五、失效分析对材料科学与工程的促进作用失效分析在近代材料科学与工程的发展史上占有极为重要的作用，材料科学的发展史实际上是一部失效分析史。材料是用来制造各种产品的，它的突破往往成为技术进步的先导。（1）失效分析促进了材料强度与断裂学科的产生整个强度与断裂学科的产生与发展与失效分析紧密相连。“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，这在近代材料学科的发展中具有里程碑意义。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。长期在铁路部门工作的A.Wöhler(1819～1914)设计了各种疲劳实验机，经过大量实验，提出了疲劳极限的概念并从中获得了S-N曲线，一百多年来，人们对各种材料的S-N曲线进行了研究，从而推动了由静强度到疲劳强度设计的进步。1954年1月10日和4月8日，有两架英国彗星号喷气客机在爱尔巴和那不勒斯相继失事，以后进行了详尽的调查和周密的试验，在一架彗星号整机上进行模拟实际飞行时的载荷实验，经过3057充压周次(相当于9000飞行小时)，压力舱壁突然破坏，裂纹从应急出口门框下后角处发生，起源于一铆钉孔处。之后又在彗星号飞机上进行了实际飞行时的应力测试和所用铝材的疲劳实验。经过与从海底打捞上来的飞机残骸的对比分析，最后得出结论，事故是由疲劳引起的。这次规模空前的失效分析揭开了疲劳研究的新篇章。对于许多大型化工设备不锈钢件的断裂原因分析发现，具有一定成分和组织状态的合金，在一定的腐蚀介质和拉应力作用下，可能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，此种断裂称为应力腐蚀断裂。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域而被广泛重视。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）失效分析促进材料开发与工程应用把失效分析所得到的信息反馈给冶金工业，就能促进现有材料的改进和新材料的研制。材料中的夹杂、合金元素的分布不良等经常会导致材料失效，这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、磨损失效的研究，促进了表面工程这一学科的形成与发展。现在，表面工程技术已经广泛应用于不同的构件和材料，保证了材料的有效使用。一、失效分析发展的三个阶段1.3失效分析的发展历史、现状与发展趋势（1）初级阶段第一次世界工业革命前，这个时期是简单的手工生产时期，金属制品规模小且数量少，其失效不会引起重视，失效分析基本上处于现象描述和经验阶段。失效的频繁出现引起了重视，促使失效分析技术的发展。此阶段最可喜的是各种失效形式的发现及规律的总结，促使研究带裂纹体力学行为的断裂力学的诞生。但限于当时的分析手段主要是材料的宏观检验及倍率不高的光学金相观测，未能从微观上揭示