材料失效分析绪论(h)

1、材料(cilio)失效分析Materials failure analysis主讲(zhjing): 刘先兰2014.1Copyright 1996-98 Dale Carnegie & Associates, Inc.7/18/20227/18/20221共三十二页绪 论一、材料失效分析的基本概念二、材料失效分析的发展概况三、失效分析人员(rnyun)的任务和要求四、材料失效分析的主要内容7/18/20227/18/20222共三十二页失效案例之一德国ICE884次高速列车(lich)脱轨事故7/18/20223共三十二页时间：1998年6月3日。地点：德国埃舍德小镇。事件经过： 慕尼黑开往

2、汉堡的德国ICE884 次高速列车在埃舍德发生列车脱轨行车事故。列车由2 辆动车和12 辆拖车组成, 12 辆拖车全部脱轨，有101人死亡，100多人受伤。事故的列车为德国第一代ICEI 型高速列车, 德国共有这种列车60列。联邦铁路局局长在国会听证会上公布了对事故发生过程的初步调查结果：在列车运行距公路跨线桥约6 km 时，第1 节拖车的第3轮对的轮箍发生破裂，列车继续以20 km /h 的速度运行, 轮箍断裂并拥塞在高速运转的轮对中，发生剧烈的摩擦 。 在距公路桥约300m处, 已断裂的轮箍钩住了埃舍德车站的一组道岔, 使拖车跳起、脱轨并与动车脱钩，脱轨的车轮则落在相邻的线路上，列车继续运

3、行约120 m 后，脱轨的轮被邻线的另一组道岔改变了方向，突然猛烈地甩向右侧，第3 节拖车尾部与桥墩猛烈冲撞使跨线桥部分坍塌坠落。驶过跨线桥的头部动车经紧急制动后运行约2 k m 停车, 没有脱轨; 与头车分离的第1 3 节拖车脱轨后停在桥后约30m 处; 第4-5节拖车被坍塌的桥梁砸毁, 后部第6 12 节拖车以巨大的惯性冲撞挤压在一起, 尾部动车几乎未受损坏。该列车车轮系橡胶弹性车轮, 轮箍是轧制的无缝钢圈, 通过热效应热压在轮心上, 轮心是铸钢轮体, 轮箍与轮心间有一层橡胶体。轮箍轧制时若残留气泡或矿碴, 在高负荷动力作用下, 就可能开裂; 或由于轮箍材料老化(lohu)产生“ 疲劳断裂

4、”所致。7/18/2022失效案例(n l)之一德国ICE884次高速列车脱轨事故7/18/20224共三十二页 钢脆性和工程结构脆性断裂：桥梁、船舶、压力窗口、管道、球罐、热电站发电设备(shbi)的汽轮机和发电机转子以及其他设备(shbi)曾发生脆性断裂事故。 失效案例之二二战时期美国焊接“自由(zyu)轮”断裂7/18/20225共三十二页 在焊接结构断裂中，船舶的脆性断裂事故颇受人们注意。在第二次世界大战期间，美国的焊接“自由轮”在使用过程中发生大量的破坏事故，其中238艘向完全报废、19艘船沉没。船舶损坏有完全断裂或部分断裂两种情况，据统计有24艘船舶脆断成两半的情况。 Shank等

5、人对船舶的脆性断裂事故作了详细调查，并获得了大量数据。认为造成最主要的原因是钢的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆断是在气温较低的情况下发生的。 对策：美国造船用钢板含碳量由0.23%降低到0.21%，含锰量由0.75%增加到0.95%，以使其延性脆性转换温度由0降低到零下14。 二战后的1956年英国最大油轮“世界协和”号，在爱尔兰海的一次大风暴中轮船破裂成两段，当时海上温度为10.5。后经调查表明：裂纹发生在船腹中部，裂纹由船底开始沿船的两侧向上扩展，并穿过甲板。裂纹是不连续的，而是由若干单独的裂纹所组成。总结船舶脆性断裂原因大致可归纳为：钢板低温脆性所引起(ynq);脆性断裂是由应

6、力集中处开始;钢板具有较大的缺口敏感性。7/18/20227/18/20226共三十二页 嫦娥三号探测器系统副总设计师张玉花介绍，在结构分系统方面有三大套机构，一套机构是帆板，主要负责玉兔号在月夜的收拢和展开以及再唤醒。还有一套是桅杆机构，它承担着一个天线四个相机。除此之外还有一个机构在车体的正前方，是位于前方的机械臂。目前还不太知道问题究竟出在哪里，但是好消息是，玉兔号终于熬过了零下180摄氏度的月夜，而且已经醒过来了。昨晚玉兔号的师傅一直在紧急开会，研究恢复的方案。探月工程(gngchng)新闻发言人裴照宇2.14晚9点半接受记者的采访。 案例(n l)之三 原因待查7/18/20227共

7、三十二页1、失效(sh xio)一. 材料失效(sh xio)分析的基本概念 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能圆满地完成指定的功能。 如前所述。 失效分析则是对设备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。 1) 判断失效性质：畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。 2) 分析失效原因：设计、材料、加工、装配、使用、维护。 3) 研究失效的预防措施：修改设计、更换材料、改进加工工艺、合理装配、正确使用、及时维护等。2、失效分析7/18/20227/18/20228共三十二页3、 失效(sh x

8、io)形式7/18/20227/18/20229共三十二页4、 失效(sh xio)原因设计不合理选材不当及材料(cilio)缺陷制造工艺不合理使用操作不当和维护不当5、失效分析技术金相分析技术断口分析技术力学性能测试技术理化分析测试技术晶体结构分析技术无损检测技术应力分析技术等7/18/20227/18/202210共三十二页6、材料失效(sh xio)及其模拟 裂纹形成(xngchng)裂纹扩展裂纹进一步扩展完全断裂 在ABAQUS里，模拟材料失效主要有两种方法：一是使用已有的失效材料模型；另一种方法是使用VUMAT子程序中定义一个状态变量来表征材料是否失效。7/18/20227/18/2

9、02211共三十二页失 效分 析可靠性分析质量管理测试技术无损检测工程力学概率统计系统工程模糊数学机械设计工 艺 学腐蚀科学摩 擦 学断 口 学痕 迹 学裂 纹 学金 相 学材 料 学断裂物理断裂力学断裂化学7、与基础学科的关系(gun x)7/18/20227/18/202212共三十二页8、与应用(yngyng)学科结合失效机械设计学失 效 材 料 学失效机械制造学失 效 环 境 学失 效 方 法 学机械设计学工 程 力 学断 裂 力 学失效分析物理冶金学力学冶金学材料工艺学机制工艺学机 修 知 识腐蚀学摩擦学无损探伤/模糊判断学微分析学/数理统计学金相学/可靠性工程学7/18/20227

10、/18/202213共三十二页二、失效(sh xio)分析发展概况1. 发展(fzhn)历程特 征年 代 阶 段1950S至今工业革命前 1940S工业革命前现代物理检测技术集断裂特征分析、力学分析、结构分析、 材料抗力分析和可靠性分析于一体全国性失效分析中心及失效分析学会成立出现大量的失效分析专著和论文集宏观检测和光学金相观测分析现象描述和凭经验分析现 代失效分析近 代失效分析初级分析7/18/20227/18/202214共三十二页2. 国内外失效(sh xio)分析现状1) 中国(zhn u) 1970后为失效分析的新时期 成立了中央部委失效分析研究中心、各类理化实验室及 试验研究中心、

11、失效分析委员会 重大失效事故： 国家组织攻关组或分析小组 一般失效事故： 单位委托专家分析 常举办全国性和地方性的失效分析学术活动 工程技术刊物开辟了失效分析专栏 失效分析、预测及预防知识的逐渐普及：出版了相关的教材、专著及技术丛书，高校有关专业增设失效分析课程7/18/20227/18/202215共三十二页 钟群鹏-失效分析基础 上海交大-金属断口分析 褚武扬-断裂与环境断裂 刘正义-机械装备失效分析图谱 陈伯蠡-焊接工程欠缺分析与对策 吴望周-化工装备(zhungbi)断裂失效分析基础 机械工业委员会-失效分析培训教材 机械工程学会材料分会-机械产品失效分析丛书 胡世炎-破断故障金相分析

12、及机械失效分析手册 张 栋-机械失效的实用分析及机械失效的痕迹分析7/18/20227/18/202216共三十二页 邓文龙-金属构件断裂分析与防护 孙 智-失效分-基础与应用 窦照英-承压设备(shbi)失效分析与处理化工设备事故分析与预防及应急处理技术实用手册国外石油化工事故案例化工事故案例分析与防范石油化工企业事故案例剖析锅炉压力容器爆炸事故案例剖析化工爆炸事故案例化工设备突发事故处理与分析预防技术规范实务全书安全生产事故典型案例评析全集7/18/20227/18/202217共三十二页7/18/20222)国外如美国(mi u) 原子能、宇航部门：失效分析主要由国家研究机构承担 民用工

13、业部门：失效分析主要由一些公司承担 失效分析与保险公司和法院关系(gun x)最密切，常以官司结案 美国金属学会(ASM):How Components Fail(1966) 美国机械工程师学会(ASME) 、美国材料与试验学会(ASTM) ASTM 1975年在金属手册中增设加“失效分析与预防” “Failure Analysis and Prevention” Jack A. Colins 1981年编著机械设计中的材料失效教材， Failure of Materials in Mechanical Design7/18/202218共三十二页7/18/2022191） 促进(cjn)科学

14、技术的发展例1： 19世纪中期，火车(huch)轴频发断裂，原因是疲劳。疲劳的研究促进了断裂力学和材料强度学的发展。例2： 二战期间，美国焊接结构“自由轮”在美国-冰岛-英国航线上发生千余次断裂破坏事故，原因是碳钢和低合金钢在低温出现脆性。低温脆性的研究促进了低温材料的发展。3. 失效分析意义7/18/202219共三十二页7/18/2022202）提高(t go)构件、装备的质量例1：日本问题轿车(jioch)的召回制零件内在质量大大提高3. 提高经济/社会效益例2：20世纪20年代奥氏体不锈钢的腐蚀失效提出晶间贫铬腐蚀选择性腐蚀沉淀相腐蚀理论开发不锈钢新钢种7/18/202220共三十二页

15、三、工作人员的任务(rn wu)和素质要求 寻找失效构件及相关实物证据 宏观分析和推理，初步确定失效类型 必要的微观分析、理化检验(jinyn)，再查找失效原因 综合确定整个失效过程及其失效原因间的联系 必要时模拟试验，验证因果分析的正确性1、 主要任务7/18/20227/18/202221共三十二页 彻底的求实精神(jngshn)和严谨的工作态度 敏锐的观察力和熟练的分析技术 正确的失效分析思路和良好的判断能力 善于学习 扎实的专业基础和宽广的知识面2、 应备素质(szh)7/18/20227/18/202222共三十二页四、材料失效(sh xio)分析的内容1、教材 庄东汉(DngHn)

16、主编 材料失效分析华东理工大学出版社7/18/20227/18/202223共三十二页2、主要(zhyo)内容7/18/20227/18/202224共三十二页汽车离合器壳体开裂(ki li)失效分析失效分析(fnx)案例7/18/20227/18/202225共三十二页汽车(qch)离合器壳体7/18/20227/18/202226共三十二页1、粗步分析 离合器壳体由铝合金铸造而成。一个壳体破断为两部分，一个壳体一侧的裂纹长220mm，另一侧有一条15mm长的裂纹。裂纹的起始位置均在壳体侧面下方的交界处。壳体侧面的内表面呈135和90夹角，无明显的过渡园角。裂纹扩展方向与该处所受拉应力的方向

17、垂直。2、现场调研 离合器安装情况：离合器左边与发动机相联，右边与变速器相联。离合器壳体受到较大弯矩作用。发动机工作时, 壳体受到强烈振动。 壳体下部受到瞬时大的拉应力作用，在应力集中处容易产生裂纹造成开裂或破断。3、显微镜下观察 断裂面有放射状撕裂棱。断面上有许多闪光的小点，同时(tngsh)发现有园形、椭园形的空洞。最大的一个椭园形孔洞尺寸为0.6mm1.2mm。这些空洞的内表面呈熔融金属凝固态，为铸造缺陷气孔。分析(fnx)步骤7/18/20227/18/202227共三十二页4、显微分析 观察裂纹形态及扩展方向(fngxing)。裂纹端部位于壳体两侧面内表面相交处，裂纹上及其附近有大大

18、小小的气孔，裂纹垂直于壳体边缘扩展。 7/18/20227/18/202228共三十二页 金相显微组织由白色的a固溶体+灰色的条状及小块状的Si晶体+黑色细针状Al-Si-Fe化合物组成。黑色针状Al-Si-Fe化合物为有害相，导致(dozh)壳体材料的韧性下降。裂纹穿过气孔，并沿针状Al-Si-Fe化合物界面扩展。7/18/20227/18/202229共三十二页5、扫描电镜分析 沿晶界或相界扩展的微细裂纹。平整的晶体平面。观察到晶界和晶内的裂纹。该壳体材料的断裂机制为一种包含沿晶(或相界)断裂和穿晶断裂两种形式的混合断裂。在裂纹快速扩展区断裂形貌呈山脊状撕裂棱。6、能谱成分分析 对壳体材料

19、和组织中的条状物进行成分分析。合金的成分接近于铸造铝合金ZL102(ZL102成分: 9087%Al, 1013%Si)。含有Fe，生成有害相细针状的Al-Si-Fe化合物，降低(jingd)了该合金的韧性。条状物的Si含量很高，确定其为Si晶体。 7、硬度测定 (1) 布氏硬度测定 硬度为5461HB。该壳体的硬度值与铸造铝合金ZL102的硬度相近。 (2) 显微硬度测定 白色块状物 65HV0.02 ； 条状物 75HV0.02 合金的硬度较低，反映该合金的强度也较低，只能用于对强度要求不高的铸件。7/18/20227/18/202230共三十二页8、断裂原因分析 (1) 所用材料强度低，气孔多。合金含铁量高, 出现较