材料失效分析

Failureanalysisofmaterials中國石油大學蔣淑英材料失效分析

Failureanalysisof課程目標主要介紹金屬裝備及其構件失效與失效分析的工程概念及相關的理論知識。了解失效分析的方法與手段，以及各種失效形式的失效現象、失效特點、引起失效的原因及預防措施。課程目標主要介紹金屬裝備及其構件失效與失效分析的工程概念及相基本要求掌握失效分析方法的科學思維、邏輯推理方法和思路。掌握各種失效形式的失效現象、失效特點、引起失效的原因及預防措施。了解進行失效分析的測試技術，初步具備對測試結果進行分析的能力。基本要求掌握失效分析方法的科學思維、邏輯推理方法和思路。主要內容緒論失效分析基礎知識失效分析思路方法和基本程序失效分析的常規測試技術及選擇失效分析技術-斷口、裂紋、痕跡分析▲靜載荷作用下的斷裂失效分析疲勞斷裂失效分析磨損與腐蝕失效分析實際構件失效分析案例壓力容器與管道失效分析與安全評價實驗-機械零件失效分析主要內容緒論參考資料《金屬構件失效分析》，廖景娛主編，化學工業出版社，2003；《失效分析—基礎與應用》，孫智主編，機械工業出版社，2005；《機械零件失效分析與預防》，涂銘旌主編，高等教育出版社；《機械零件失效分析》，陳南平，清華大學出版社，1988；《失效分析與故障預防》，何德芳主編，冶金工業出版社，1990。參考資料《金屬構件失效分析》，廖景娛主編，化學工業出版考核方式考試方式：開卷成績計算：考試成績70%+平時成績30%考核方式考試方式：開卷第一章緒論1.1失效與失效分析1.2失效分析的意義1.3金屬構件的失效形式及失效原因1.4失效分析的現狀與發展趨勢第一章緒論1.1失效與失效分析1.1失效與失效分析1.失效——各類機電產品的機械零部件、微電子元件和儀器儀表等以及各種金屬及其它材料形成的構件（工程上習慣地統稱為零件）都具有一定的功能，承擔各種各樣的工作任務，如承受載荷、傳遞能量、完成某種規定的動作等。當這些零件失去了它應有的功能時，則稱該零件失效。1.1失效與失效分析1.失效——各類機電產品的機械零部件、

零件失效包括三種情況：失效failure（1）由于斷裂、腐蝕、磨損、變形等完全喪失其功能；（2）部分的失去其原有功能，雖然能夠工作，但不能完成規定功能；（3）零件雖然能夠工作，也能完成規定功能，但繼續使用時，不能確保安全可靠性。例如，壓力容器在運行中突然產生殼體開裂引起介質外泄或爆破，渦輪機在運轉中突然發生葉片斷裂而停止運轉或使整機遭到破壞。例如，換熱器流道變形、污垢堵塞使傳熱系數下降，壓縮機氣缸內壁腐蝕使排出氣體壓力下降。例如：鍋爐和壓力容器的安全閥失靈、火車或汽車的剎車失靈等。零件失效包括三種情況：失效failur

要區分“失效”與“事故”，這是兩個不同的概念。事故是一種結果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。同樣，失效可能導致事故的發生，但也不一定就導致事故。“失效”與“事故”要區分“失效”與“事故”，這是兩個不同的概念2.失效分析FailureAnalysis是指對失效產品為尋找失效原因和預防措施所進行的一切技術活動。就是研究失效現象的特征和規律，從而找出失效的模式和原因。

任務：揭示產品功能失效的模式和原因，弄清失效的機理和規律，找出糾正和預防失效的措施。2.失效分析FailureAnalysis

事前分析，主要采用邏輯思維方法(如故障樹分析法、事件時序樹分析法、特征一因素圖分析法等)，其主要目的是預防失效事件的發生。

事中分析，主要采用故障診斷與狀態監測技術，用于防止運行中的設備發生故障。

事后分析，是采用實驗檢測技術與方法，找出某個系統或零件失效的原因。通常所說的失效分析是指的事后分析。

按照失效分析工作進行的時序和主要目的，失效分析可分為事前分析、事中分析和事后分析。事前分析，主要采用邏輯思維方法(如故障樹分析法、事件

涉及的專業知識、采用的思想方法及分析手段等方面，有許多共同之處。在分析的對象、分析的目的及判斷是非的依據等方面是不同的。失效分析與廢品分析的區別：失效分析的對象是在使用中發生失效的產品，分析的主要目的是尋找失效的原因。漏檢和技術標準不合理都可能是失效的原因。廢品分析的對象是不符合技術標準的產品及半成品。它所討論的問題是產品及半成品為什么不符合技術標準的要求。至于產品的技術標準是否正確則不屬于廢品分析要解決的問題。失效分析與廢品分析的區別：失效分析的對象是在使用中在失效分析時應將二者區分開來。例如，在分析某零件發生斷裂的原因時，不能簡單地根據該產品的某項技術指標不符合標準要求，就作為判斷失效原因的依據。這一結論可能正確也可能完全不正確。例:模數為7的傳動齒輪，采用20CrMnTi鋼制造，經滲碳淬火并低溫回火處理。技術要求是：滲碳層的硬度58～63HRC，心部硬度32～28HRC，馬氏體及殘余奧氏體≤4級，滲碳層深度為1.3～1.5mm。該齒輪在使用中發生斷齒失效，試分析斷齒原因。在失效分析時應將二者區分開來。例如，在分析某零滲碳層硬度為62HRC心部硬度為32HRC馬氏體及殘余奧氏體為3級，均符合要求滲碳層深度為1.1mm，不符合技術要求。按照技術要求而判為不合格品，這是無可非議的。現在要處理的問題是齒輪為什么發生斷齒，那就不能簡單地認定是硬化層深度不足而引起的。分析一：常規檢查結果滲碳層硬度為62HRC分析一：常規檢查結果按失效分析的觀點，在進行上述常規檢查后應作進一步分析。分析表明，斷口為宏觀脆性斷裂(掉下的齒形呈凸透鏡狀)，眾多初裂紋源于表面加工缺陷處，經快速擴展后引起斷裂，屬過載類型的宏觀脆性斷裂。分析：該齒輪斷齒失效是由于齒根加工質量不良產生的嚴重應力集中引起的。改進措施：提高齒根的加工質量，減少應力集中及防止過載。分析二按失效分析的觀點，在進行上述常規檢查后應作進一步分析實踐證明這一分析結論是正確的。按照分析的觀點，如果增加硬化層的深度至1.3～1.5mm，雖然符合技術要求，但由于滲碳層的脆性進一步加大，不但解決不了此類斷齒問題，而且會增加此類斷齒的危險性。實踐證明這一分析結論是正確的。按照分析的觀點，如果增1.2失效分析的意義一、失效分析可產生巨大的社會經濟效益

失效分析的巨大社會經濟效益是顯而易見的，它主要表現在以下幾個方面。（1）失效將造成巨大的經濟損失

據化工部對全國51個中型合成氨廠的不完全統計，1971年到1979年，共發生受壓容器重大失效事故260起，直接損失5493.2萬元。1973年到1983年全國壓力容器發生爆炸事故13起，鍋爐爆炸事故957起。1.2失效分析的意義

據美國1982年的統計表明，每年由于磨損、腐蝕和斷裂失效造成的直接經濟損失3600億美元；日本由于腐蝕失效造成的直接經濟損失4萬億日元，占當年國民經濟生產總值的3％；原西德每年因摩擦磨損失效而造成的經濟損失約100億馬克；我國機械行業因腐蝕失效造成的直接經濟損失約300億人民幣，全國估計約高達2800億人民幣。產品發生失效后，往往造成整機的破壞甚至整個企業的生產停頓，由此將造成更大的間接損失。據美國1982年的統計表明，每年由于磨損、腐蝕和斷裂（2）質量低劣、壽命短導致重大經濟損失一些量大面廣的機械產品，由于質量低劣，使用壽命大大縮短，也將造成巨大的經濟損失。齒輪、軸承、彈簧、軸及緊固件、工模具等是機械工業的基礎件。一個具體件的失效，往往并不造成多大的經濟損失，但是由于量大、涉及面廣且失效頻繁，由此而造成的經濟損失也十分巨大。

20世紀80年代，我國鋼產量僅為日本的三分之一，而高速鋼的消耗卻為日本的三倍，其重要原因之一，就是模具用鋼不合理及模具壽命低。熱擠壓用模具的壽命也有類似情況，國內不少廠家自制模具的使用壽命僅為日本進口模具的三分之一。除了模具的正常磨損等失效外，由于工藝原因造成的早期斷裂占了相當大的比例。（2）質量低劣、壽命短導致重大經濟損失（3）提高設備運行和使用的安全性

一次重大的失效可能導致一場災難性的事故，通過失效分析，可以避免和預防類似失效，從而提高設備安全性。設備的安全性問題是一個大問題，從航空航天到電子儀表，從電站設備到旅游娛樂設施，從大型壓力容器到家用液化氣罐，都存在失效的可能性。通過失效分析確定失效的可能因素和環節，從而有針對性地采取防范措施，可起到事半功倍的效果。通過失效分析，明確失效模式，找出失效原因，采取改正或預防措施，使同類失效不再發生，或者把產品的失效限制在預先規定的范圍內，都可挽回巨額的經濟損失，并可獲得巨大的社會效益。（3）提高設備運行和使用的安全性二、失效分析有助于提高管理水平和促進產品質量提高有些產品在使用中之所以會失效，常常是由于產品本身有缺陷，而這些缺陷在大多數情況下在出廠前是可以通過相應的檢查手段予以發現的。但是由于出廠時漏檢而進入市場，這就表明工廠的檢驗制度不夠完善或者檢驗的技術水平不夠高。產品在使用中發生的早期失效，有相當大的部分是因為產品的質量有問題。通過失效分析，將其失效原因反饋到生產廠并采取相應措施，將有助于產品質量的不斷提高。這一工作是失效分析和預防技術研究的重要目的和內容。二、失效分析有助于提高管理水平和促進產品質量提高三、失效分析有助于分清責任和保護用戶利益對重大事故，必須分清責任。為了防止誤判，必須依據失效分析的科學結論進行處理。

對于進口產品存在的質量問題，及時地進行失效分析，則可向外商進行索賠，以維護國家的利益。三、失效分析有助于分清責任和保護用戶利益對于進四、失效分析是修訂產品技術規范及標準的依據

隨著科學技術水平的不斷提高及生產的不斷發展，要求對原有的技術規范及標準作出相應的修訂。各種新產品的試制及新材料、新工藝、新技術的引入也必須及時制訂相應的規范及標準。而這些工作的正確進行，都需要依據產品在使用條件下所表現出來的行為來確定。如果不了解產品服役中是如何失效的，不了解為避免此種失效應采取的相應措施，原有規范和標準的修訂及新標準的制定將失去科學的依據。

四、失效分析是修訂產品技術規范及標準的依據五、失效分析對材料科學與工程的促進作用

失效分析在近代材料科學與工程的發展史上占有極為重要的作用，材料科學的發展史實際上是一部失效分析史。材料是用來制造各種產品的，它的突破往往成為技術進步的先導。五、失效分析對材料科學與工程的促進作用（1）失效分析促進了材料強度與斷裂學科的產生

整個強度與斷裂學科的產生與發展與失效分析緊密相連。“疲勞與疲勞極限”、“氫脆與應力腐蝕”、“斷裂力學與斷裂韌度”的提出都是在失效分析的促進下完成的，這在近代材料學科的發展中具有里程碑意義。在19世紀初葉，頻繁的火車斷軸曾經給工程界造成巨大沖擊。長期在鐵路部門工作的A.W?hler(1819～1914)設計了各種疲勞實驗機，經過大量實驗，提出了疲勞極限的概念并從中獲得了S-N曲線，一百多年來，人們對各種材料的S-N曲線進行了研究，從而推動了由靜強度到疲勞強度設計的進步。（1）失效分析促進了材料強度與斷裂學科的產生

1954年1月10日和4月8日，有兩架英國彗星號噴氣客機在愛爾巴和那不勒斯相繼失事，以后進行了詳盡的調查和周密的試驗，在一架彗星號整機上進行模擬實際飛行時的載荷實驗，經過3057充壓周次(相當于9000飛行小時)，壓力艙壁突然破壞，裂紋從應急出口門框下后角處發生，起源于一鉚釘孔處。之后又在彗星號飛機上進行了實際飛行時的應力測試和所用鋁材的疲勞實驗。經過與從海底打撈上來的飛機殘骸的對比分析，最后得出結論，事故是由疲勞引起的。這次規模空前的失效分析揭開了疲勞研究的新篇章。1954年1月10日和4月8日，有兩架英國彗

對于許多大型化工設備不銹鋼件的斷裂原因分析發現，具有一定成分和組織狀態的合金，在一定的腐蝕介質和拉應力作用下，可能出現有別于單純介質和單純拉應力作用下引起的脆性斷裂，此種斷裂稱為應力腐蝕斷裂。第一次世界大戰期間，隨著飛機制造業的發展，高強度金屬材料相繼出現，但隨后發生的多次飛機墜毀事件給高強度材料的廣泛應用造成威脅。失效分析發現，墜毀原因是構件含有過量氫而引起的脆性斷裂。含過量氫的金屬材料，強度并不降低但脆性大大增加，稱為氫脆。（我國李薰等人提出）此后，氫脆和應力腐蝕逐步發展成為材料斷裂學科中另一重大領域而被廣泛重視。對于許多大型化工設備不銹鋼件的斷裂原因分析發現，具有目前以斷裂力學(損傷力學)和材料的斷裂韌度為基礎的裂紋體強度理論，被廣泛應用于大型構件的結構設計、強韌性校核、材料選擇與剩余壽命估算，因而成為當代材料科學發展中的重要組成部分。這一學科的建立和發展也與機械失效分析工作有著密切的關系。目前以斷裂力學(損傷力學)和材料的斷裂韌度為基礎的裂（2）失效分析促進材料開發與工程應用

把失效分析所得到的信息反饋給冶金工業，就能促進現有材料的改進和新材料的研制。材料中的夾雜、合金元素的分布不良等經常會導致材料失效，這極大地促進了冶金技術、鑄造、焊接和熱處理工藝的發展。腐蝕、磨損失效的研究，促進了表面工程這一學科的形成與發展。現在，表面工程技術已經廣泛應用于不同的構件和材料，保證了材料的有效使用。（2）失效分析促進材料開發與工程應用一、失效分析發展的三個階段1.3失效分析的發展歷史、現狀與發展趨勢（1）初級階段第一次世界工業革命前，這個時期是簡單的手工生產時期，金屬制品規模小且數量少，其失效不會引起重視，失效分析基本上處于現象描述和經驗階段。一、失效分析發展的三個階段1.3失效分析的發展歷史、現狀失效的頻繁出現引起了重視，促使失效分析技術的發展。此階段最可喜的是各種失效形式的發現及規律的總結，促使研究帶裂紋體力學行為的斷裂力學的誕生。但限于當時的分析手段主要是材料的宏觀檢驗及倍率不高的光學金相觀測，未能從微觀上揭示失效的本質；斷裂力學仍未能在工程材料斷裂中很好地應用。此為失效分析的第二階段。（2）近代失效分析階段以蒸汽動力和大機器生產為代表的世界工業革命開始，生產大發展，金屬制品向大型、復雜、多功能開拓，但當時人們尚未掌握材料在各種環境中使用的性態、設計、制造及使用中可能出現的失效現象。鍋爐爆炸、橋梁倒塌、車軸斷裂、船舶斷裂等事故頻繁出現，給人類帶來了前所未有的災難。失效的頻繁出現引起了重視，促使失效分析技術的發展（3）現代失效分析階段隨著電子行業的興起，微觀觀測儀器的出現，特別是分辨率高、放大倍率大、景深長的透射及掃描電子顯微鏡的問世，使失效分析擴大了視野，洞穿失效的微觀機制，隨后大量現代物理測試技術的應用，如電子探針、X射線顯微分析、X射線及紫外線光電子能譜分析、俄歇電子能譜分析等，從而促使失效分析登上了新的臺階。失效分析現處在第三階段的歷史發展時期，這是現代失效分析階段。這一階段已經走過近半個世紀，并取得了重大的成就。電子顯微分析使失效細節觀察成為可能，促使斷口學及痕跡學的完善，成為失效分析最重要的科學技術；斷裂力學已成為研究含裂紋的工程結構件變形及裂紋擴展的分支學科，斷裂力學在失效分析診斷中起了重大作用，揭示含裂紋體的裂紋擴展規律，并推進失效預測預防工作的進展。（3）現代失效分析階段這一階段已經走過近半個世紀，并取得了重二、國外的失效分析工作1.3失效分析的發展歷史、現狀與發展趨勢

（1）建立了比較完整的失效分析機構德國

失效分析中心主要建在聯邦及州立的材料檢驗中心原西德的11個州共建立了523個材料檢驗站工科大學的材料檢驗中心日本金屬材料技術研究所、產業安全研究所和原子力研究所。企業界有新日鐵、日立、三井、三菱等都有研究機構各工科大學都有很強的研究力量。美國失效分析中心遍布全國各個部門，有政府辦的，也有大公司及大學辦的。二、國外的失效分析工作1.3失效分析的發展歷史、現狀

例如，國防尖端部門、原子能及宇航故障分析集中在國家的研究機構中進行；宇航部件的故障分析在肯尼迪空間中心故障分析室進行；阿波羅航天飛機的故障在約翰遜空間中心和馬歇爾空間中心進行分析；民用飛機故障在波音公司及洛克威爾公司的失效分析中心進行分析。福特汽車公司、通用電器公司及西屋公司的技術發展部門均承擔著各自的失效分析任務。許多大學也承擔著失效分析任務。像里海大學、加州大學、華盛頓大學承擔著公路和橋梁方面的失效分析工作。有關學會，如美國金屬學會(ASM)、美國機械工程師學會(ASME)和美國材料與試驗學會(ASTM)均開展了大量的失效分析工作。例如，國防尖端部門、原子能及宇航故障分析集中在國家的（2）制定失效分析文件、事故檔案及數據庫失效分析工作是一項復雜的技術工作，為了快速地、準確可靠地找出失效的原因及預防措施，應使失效分析工作建立在科學的基礎上，以防誤判和少走彎路。為此，在一些工業發達國家均制定了失效分析指導性文件，對于失效分析的基礎知識、概念及定義，失效的分類及分析程序均作出了明確規定。各研究中心還建立了事故檔案及數據庫，以便有案可查，定期進行統計分析，并及時反饋到有關部門。（2）制定失效分析文件、事故檔案及數據庫失效分析工（3）大力培養失效分析專門人才工科高校開設失效分析課程對在職職工有計劃地進行技術培訓（4）大力開展失效分析技術基礎的研究工作系統研究材料的成分、工藝、組織對各個失效行為的影響，以期獲得耐用性能的優化；研究失效的微觀機制與宏觀失效行為間的關系；系統研究材料及構件在機械力、熱應力、磨損及腐蝕條件下的失效行為、原因及預防措施；開展特種材料及特殊工況條件下失效行為的研究。（3）大力培養失效分析專門人才(5)大力開展失效分析及預防監測手段的研究工作研究先進的測試技術，對運行中的設備及機件進行監測。

例如:研制了大型軸承失效監測儀；軸承溫度報警裝置；玻璃纖維端鏡監控系統及各類無損探傷.利用多種先進的測試技術對鍋爐、壓力容器、防爆電機、發電設備、核能裝置、車輛的操縱系統及行走部件等危及人身安全的產品定期地進行檢查與監督均收到了較好的結果。計算機技術的應用得到加強，而且取得了好的效果。(5)大力開展失效分析及預防監測手段的研究工作早期，我國機械工業處于仿制—研制階段，失效分析工作只是為生產中的問題提供一些咨詢，并沒有得到足夠的重視，也沒有統一的組織形式。隨著我國機械工業的不斷發展，失效分析的早期工作形式、內容及采用的方法和手段已經越來越不能滿足客觀上的需要。這一狀態直至1980年中國機械工程學會委托材料學會召開第一次全國機械裝備失效分析學術會議為止，才得以改變。目前，我國的機械產品和工程結構日趨大型化、精密化和復雜化。這類產品發生的失效，比以往的失效將會造成更大的財產損失和人員傷亡。這就要求一切產品必須具有比以往更高的可靠性和安全性，從而對失效分析工作提出了更高的要求。二、我國的失效分析工作早期，我國機械工業處于仿制—研制階段，失效分析工作只在中國機械工程學會的領導下，1980年在北京召開了全國第一次機械裝備失效分析經驗交流會，收集了論文和分析案例311篇，從而揭開了我國失效分析工作的新篇章。1984年在杭州，1988年在廣州相繼召開了第二次和第三次全國失效分析技術會議，并出版了會議論文集。1992年由中國科學技術協會指導和支持、中國機械工程學會承辦、全國22個一級學會共同組織的全國機電裝備失效分析預測預防戰略研討會在北京舉行，1993年6月于桂林召開了第四次全國失效分析會議。1998年在北京召開了第三次全國機電裝備失效分析預測預防戰略研討會，宣布成立我國機械工程學會失效分析學會，將原來的失效分析專門委員會提升為二級獨立學會，同時描繪了21世紀我國失效分析工作的藍圖，標志著我國的失效分析工作開始了一個新紀元。（1）認真總結經驗，積極開展交流活動在中國機械工程學會的領導下，1980年在北京召開了全國第一次（2）建全我國的失效分析組織機構和開展基礎研究工作在中國機械工程學會下設失效分析工作委員會，后提升為失效分析學會，統一組織和領導全國機械行業的失效分析工作。在材料學會、熱處理學會和理化學會內成立了相應的組織機構，領導和組織本學科內的失效分析工作。在工礦企業及大專院校也成立了失效分析研究中心、研究所，定期開展各自富有專長的技術活動與社會服務工作。（2）建全我國的失效分析組織機構和開展基礎研究工作（3）開展失效分析專門人才的培養工作機械工程學會和一些大學派出專家學者出國考察訪問，學習和借鑒國外在失效分析方面的工作經驗，提出了在我國工科大學設立材料檢驗檢測中心和培養專門人才的建議。自1983年起，將失效分析課程列為工科院校材料科學與工程類專業教學計劃中的必修課程，在清華大學、浙江大學等著名高校還將失效分析列為機械類學生或工科類學生的選修課或研究生課程。隨后許多大學還舉辦了各種類型的短訓班及在職人員培訓班，使我國的失效分析技術隊伍逐步形成。（3）開展失效分析專門人才的培養工作機械工程學

組織失效分析專門人才有計劃地編寫出版失效分析技術資料、叢書、文集等。由中國機械工程學會材料學會主編的機械產品失效分析叢書(1套11冊)及機械故障診斷叢書(1套10冊)、機械失效分析手冊等相繼出版。有關工科院校還編寫了相應的失效分析教材、交流資料等，一些著名學者也出版了一批失效分析的專著，為失效分析專門人才的培養奠定了基礎。組織失效分析專門人才有計劃地編寫出版失效（4）建立失效分析數據庫和網絡我國已相繼開發和建設了一些與失效分析工作相關的數據庫，如1987年由航空材料數據中心建立的材料數據庫，1991年以后上海材料研究所和鄭州機械研究所相繼建成工程材料數據庫和機械強度與疲勞設計數據庫，1995年以后航空材料研究所建成金屬材料疲勞斷裂數據庫，腐蝕數據庫