失效分析第一章

失效分析基础主讲教师：张荣军长安大学，材料科学与工程学院联系方式：[e-mail]本课程的目的机械产品在使用过程中常发生变形、断裂、磨损、腐蚀等失效现象为了防止或延缓这些失效现象，必须对失效现象进行分析和研究，找出失效原因并提出改进措施课程主要内容失效分析的基本概念失效分析基础知识失效分析基本方法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金属构件加工缺陷与失效实例分析学时分配本课程共分为8章，需30学时绪论、第一章2学时第二章4学时第三章4学时第四章4学时第五章4学时第六章4学时第七章6学时第八章2学时先修课程《机械设计及理论》《材料科学基础》《材料力学性能》《摩擦与磨损基础知识》《腐蚀学》《材料加工方法》学习方法本课程所涉及的知识面宽，知识点多注重理论联系实际的学习方法注重各学科之间相互联系的学习方法翻阅科技文献课堂要求不迟到、不早退,不旷课上课时不带手机等通讯工具上课时不要吃东西考试成绩课程成绩=平时成绩+考试成绩×70%平时成绩（作业+点名+实验）共15次，每次2分，共30分期末考试，闭卷，100分第一章失效分析概论1.1失效的基本状况1.2失效分析基本概念1.3失效分析基本特点1.4失效分析的意义1.5失效分析的发展现状1.1失效的基本状况1.1.1失效问题每时每刻都在发生，遍及各行各业1.1.2失效会造成巨大的经济损失“鑫诺二号”卫星重约5.1吨，设计功率1万瓦，设计寿命15年，运营寿命12年，定点于东经92.2度赤道上空地球同步轨道上，为中国大陆、港、澳、台地区直播电视、数字电视、广播和数字宽带多媒体系统等用户服务。2006年11月21日发射，2007年11月18日指出，该卫星太阳能帆板无法打开，一直不能正常工作。直接经济损失20亿RMB，间接损失1000亿元以上。深圳“太空迷航”事件2010年6月29日下午4时许，深圳东部华侨城景区太空迷航设备发生安全事故，造成6死10伤。1.1.3失效的定义《新华词典》定义为：丧失功效或效力GB3187-82定义为：产品丧失规定的功能《材料大词典》定义为：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）发生了尺寸、形状、性能的变化而丧失了规定的功能《ASMHandbook》定义为：服役的构件出现以下三种状态之一时即为失效：1.零件完全丧失其功能2.部分失去其功能，虽能工作，但不能完成规定动作3.能够工作，也能完成规定动作，但继续使用时不能保证安全可靠性杨振国*认为：失效是指产品因微观结构和外形形态发生变化而不能满意地达到规定的功能因此，如果机械零部件由于种种原因失去了它应有的功能时，则称为失效。也可以理解为零件的使用寿命小于其预期寿命。*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失效分析基本概念1.2.1失效分析概述失效分析是面向应用、面向工程、面向未来的学科，特点有二：（1）综合性：涉及许多学科和技术门类，呈学科交叉性；（2）经济性：与国民经济发展紧密相连，应用极其广泛。1.2.2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防措施而进行的一切技术活动。它运用各种分析仪器和方法，对失效件进行综合分析，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：(1)判定失效模式（failuremode）(2)界定失效缺陷（failuredefect）(3)鉴定失效机理（failuremechanism）(4)确定失效起因（failurecause）(5)提出解决对策（countermeasure）失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、失效机理、失效模式与失效起因的相互关系失效模式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、接触磨损等。根据构件失效的宏观特征，失效模式应有五种：(1)变形(deformation)(2)断裂(fracture)(3)腐蚀(corrosion)(4)磨损(wear)(5)衰减(attenuation):微结构随时间、环境等因素渐变弱化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Titanic的失效模式、机理、缺陷与起因的关系Titanic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，因而当时被认为是一艘“永不沉没的”巨轮。1912年4月10日从英国南安普顿出发前往纽约，航速22节，4月14日晚11:40分在北大西洋与大冰山相撞，2小时47分后就沉没了。船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬生海底，这是迄今为止世界上发生的最大的海事事故。1.2.3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术科学开展事故分析与预防的，因而是一门交叉性的综合性学科。它的作用和意义主要有：（1）防止重大事故的再发生，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基础材料的性能从理论上指明方向失效分析常是事后分析，但最好的方法是事前分析。1.3失效分析的基本特点1.3.1失效分析的研究对象是由某种材料经加工而成的机械零件。零件的经历：开发规划，设计，选择加工机械，加工制造，包装，贮存，运输，安装，试运行，使用，维修等过程。苛刻条件将加速零件失效过程的进行。20钢Al2O3橡胶MMC1.3.2失效分析的复杂性应该指出：“失效”和“事故”是两个不同的概念2015年9月7日上午，陕西旬阳出租车司机刘师傅开车正转弯的时候，方向盘突然断裂，所幸当时车速不快，及时刹车控制住车辆。1.3.3失效分析的综合性产品质量管理一般实行“五要素”法管理：“人、机、料、法、环”“人、机、料、法、环、测”但产品的失效分析更复杂，分析人员不仅需要有材料、工艺、结构、力学、控制、检验等专业知识，还要懂得安装、维护、运行、环境等工程知识，同时也要熟悉生产过程涉及的标准、规范、规程，还包括心理学等在内的一些管理知识。1.3.4失效分析的系统性从结构完整性考虑，一个构件的失效分析从技术层面上应包含八个方面：(1)设计(design)(2)材料(material)(3)制造(fabrication)(4)安装(installation)(5)检验(inspection）(6)操作(operation)(7)维护(maintenance)(8)环境(environment)1.3.5失效分析的主要步骤(1)现场检查：运行史、工艺流程、图纸核对等；(2)外观检测：缺陷形态及异物等观察与分析；(3)微观分析：缺陷的微观形貌观察与成分测定；(4)性能检验：力学、物理、化学等性能评定；(5)环境评估：工况介质、异物等测试与评价；(6)模拟试验：失效现象的再现和验证；(7)事故结论：分析结果必须快速、正确；(8)解决对策：治理方案应该简单、有效。1.4失效分析的意义（1）事故责任的法律认定（2）防止事故的再发生（3）提高产品的可靠性（4）促进新材料的研发因此，失效分析作为一门综合性学科，不仅对社会稳定和国民经济发展起到保障促进作用，而且对新材料的研发和新产品的开发更有工程价值和理论意义。1.5失效分析的发展现状1.5.1美国的失效分析发展概况国防、军工、核电、宇航等领域的失效分析，主要由国家级研究机构承担。比如，橡树岭国立研究所、NASA、肯尼迪中心、约翰逊中心、西南研究院等。民用工业领域的失效分析，则在各大公司和大学研究机构内进行，如Amoco研究中心、MIT、西北大学等。美国金属学会(ASM)是最早出版《失效分析手册》的权威机构，从1923年起就编辑出版《金属手册》各分卷，目前已出版23卷。1.5.2英国的失效分析发展概况英国从事失效分析的、著名的大型研究机构有：国立工程研究所（NEL）；国立物理研究所（NPL）；中央电力局（CEGB）；英国石油（BP）；英国煤气天然气公司（BG）；以及分布在许多高校里的失效分析研究机构。1.5.3德国的失效分析发展概况德国共有500多个研究机构和保险公司，专门从事失效分析的研究，是世界组织化程度最高的国家。德国国家投资建设了一批材料检验中心。国家技术监督部门（TUV）还强制规定，凡机器设备发生失效事故，必须申报备案开展失效原因分析。自1949年起，德国就出版了与工业腐蚀失效密切相关的国际权威期刊:《MaterialsandCorrosion》。同时，还出版了德文版《机械失效》杂志等。1.5.4中国的失效分析发展概况我国从上世纪70年代起就加强了失效分析的研究。1980年8月，中国机械工程学会材料分会成立暨全国失效分析研讨会在北京举行。1986年8月，中国机械工程学会失效分析工作委员会成立，北航的钟群鵬院士任主任委员。以后曾不定期地组织召开了几次大型战略研讨会。1993年，中国机械工程学会失效分析工作委员会正式更名为中国机械工程学会失效分析分会，钟群鹏院士担任首届理事长。1994年7月，中国科协组建了由全国24个一级学会参加的最高权力机构“全国失效分析和预防中心”。2003年4月起，中国机械工程学会失效分析分会换届，中石油的李鹤林院士任第二届理事会理事长，任职至今。中国机械工程学会失效分析分会与中国机械工程学会理化检验分会经协商，从2005年起联合举办每二年一届的“全国失效分析学术会议”，每届以专刊出版会议论文集。前五届分别是：2005年(广州)、2007年(长沙)、2009年(上海)、2011年(西安)、2013(大连)。1.6鉴于事故责任认定的重要性、复杂性和特殊性，一个失效分析工作者应该做到以下七点：(1)品德高于技术：实事求是，客观公正；(2)调查重于理论：深入现场，寻找旁证；(3)宏微观相结合：宏观是表象,微观是本质；(4)综合知识并重：勤学多问,理论实践相结合；(5)团队合作至上：集体力量无限；(6)系统完整严密：因果一致，推论可信；(7)快速正确有效：分析快速，结论正确，实施有效。本章小结1、什么是失效？它与事故、事件、故障有什么区别？2、失效分析的作用和意义是什么？3、简述失效分析学科有哪些特点。