试论工程材料失效分析课件

12五月2024试论工程材料失效分析2.失效程度严重事故零件部件机器设备系统设备轻微失效中度失效xx失控/爆炸等断裂/应力腐蚀开裂/氢脆等变形/磨损/轻微腐蚀等1.什么是失效？失效是对设备及其构件再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。一、失效与事故5/12/2024★不可查的：太多太多！3.频发性★可查的：资料、图书、档案、网络国家安全生产监督管理总局4.失效、事故的损失及危害★直接的★间接的★目前的★长期的5/12/2024二、抗失效意义1.促进科学技术的发展例1：19世纪中期，火车轴频发断裂，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，原因是碳钢和低台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。5/12/20242.提高构件、装备的质量例1：日本问题轿车的召回制→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5/12/2024三、失效形式及原因1.失效形式变形失效断裂失效腐蚀失效磨损失效局部腐蚀失效均匀腐蚀失效塑性变形失效弹性变形失效疲劳断裂失效韧性断裂失效脆性断裂失效5/12/20242.失效原因设计不合理，如工程设计训练选材不当及材料缺陷制造工艺不合理使用操作不当和维护不当5/12/2024举例：设计不当容器碟形封头按GBl50规定的强度公式进行强度尺寸计算，原要求过渡区尺寸r／Di≥0.06％，后修订为按r／Di≥0.10％进行结构设计，大大减少了过渡区失效的发生。5/12/2024无折边锥形封头使用范围半锥角α≤30°也是失效得来的教训。2004年，某酒精厂蒸煮锅上封头采用α=80°的无折边锥形封头，在0.5MPa的工作压力下操作发生爆炸引起事故。改进5/12/2024举例：选材不当1)

构件高温蠕变失效屡见不鲜某厂的火管锅炉，壳体材料为16MnR，火管材料为10g无缝钢管，流体入口温度超过1000℃，出口温度为240℃，压力为4MPa。此火管使用一段时间后，局部过热而烧穿。

原因：高温炉管选材不合理，应选含Cr、Mo高的合金钢管替代10g钢。5/12/20242)某厂原使用一台进口的管壳式热交换器，壳体及管子均为18-8铬镍不锈钢，基于生产需要按原图纸再加工一台，把壳体改为低碳钢/18-8铬镍复合钢板，管子仍为18-8铬镍不锈钢，投入使用即发生壳体横向开裂。原因：①管壳因材料热膨胀系数差异引起过大的轴向温差应力；②选用复合钢板后未对换热器结构作改进。5/12/2024四、与其它学科的关系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1.与基础学科的关系5/12/2024●与基础学科结合

2.与基础学科交叉融合失效分析化学力学物理数学

失效机理学

可靠性数学失效数学

损伤力学失效力学

失效环境学失效化学5/12/2024●与应用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＋5/12/2024五、失效分析发展概况1.发展历程特征年代阶段1950’S～至今工业革命前～1940’S工业革命前①现代物理检测技术②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③全国性失效分析中心及失效分析学会成立④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5/12/20242.国内外失效分析现状1)中国◆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、失效分析委员会…◆重大失效事放：国家组织攻关组或分析小组一般失效事放：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5/12/2024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》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》5/12/2024

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》含“化工事故典型案例评析”5/12/20242)美国◆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最密切，常以官司结案

◆美国金属学会(ASM):《HowComponentsFail》(1966)美国机械工程师学会(ASME)、美国材料与试验学会(ASTM)

◆ASTM1975年在《金属手册》中增设加“失效分析与预防”“FailureAnalysisandPrevention”◆JackA.Colins1981年编著《机械设计中的材料失效》教材，《FailureofMaterialsinMechanicalDesign》5/12/2024六、工作人员的任务和素质要求①寻找失效构件及相关实物证据②宏观分析和推理，初步确定失效类型③必要的微观分析、理化检验，再查找失效原因④综合确定整个失效过程及其失效原因间的联系⑤必要时模拟试验，验证因果分析的正确性1.主要任务5/12/2024①彻底的求实精神和严谨的工作态度②敏锐的观察力和熟练的分析技术③正确的失效分析思路和良好的判断能力④善于学习⑤扎实的专业基础和宽广的知识面2.应备素质5/12/2024事故报道：太多太多了！5/12/20242006.5.18西柏坡发电厂发生的锅炉爆炸事故：３死８伤，原因为锅炉高温蒸汽泄漏爆炸所致。

2005.12.6安徽凤台发生氨气泄漏事故，3死4伤。2005.11.16中石油吉林石化公司双苯厂苯胺装置11月13日发生爆炸着火严重事故，造成5人死亡，2人重伤，21人轻伤，1人下落不明。

事故发生后，疏散群众达1万多人。5/12/2024

★★1984.12.3

美国碳联公司印度博帕尔市农药厂异氰酸甲酯泄漏事故--世界工业史上绝无仅有的惨案。

死亡近四千人，受害20多万人，5万人失明，孕妇流产或产下死婴，受害面积40平方公里，数千头牲畜被毒死。★★1986.4.26苏联切尔诺贝利核电站4号核反应堆爆炸--惨剧开始了。

当场31人死亡，附近13万多人被迫撤离，隔离区成为“死亡区”，间接导致5.5万人丧生，7万人成为残疾人，30多万人受放射伤害死去。有些成为惨案和惨剧----惨不忍睹！5/12/20241986年4月26日凌晨的1点23分，前苏联乌克兰地区切尔诺贝利核电站4号核反应堆一声爆炸,带来了人类和平利用核能史上的惨剧。★震天巨响，厂房被炸飞，墙壁坍塌，火光四起，烈焰冲天，火柱高达30多米。★核辐射通过风力、雨水等传播途径，污染了乌克兰、白俄罗斯、俄罗斯等一些堪称世界上最富饶的土壤，20多万平方公里的地区(居民694.5万)，附近13万多人被迫撤离。★核电站周围30公里范围被划为隔离区，约60万人进入隔离区进行清理抢救工作，庄稼被全部掩埋，周围7000米内的树木逐渐死亡。5/12/2024★83.4万救援人员中，已有5.5万人丧生，7万人成为残疾人，30多万人受放射伤害死去。乌克兰共有250万人因切尔诺贝利核事故而身患各种疾病，其中包括47.3万儿童。★到目前为止，还有200万人不得不生活在核污染区，其中包括48万不满17岁的少年儿童。★据预计，切尔诺贝利核事故造成的直接经济损失在2350亿美元以上。★在长达半个世纪里，隔离区成为“死亡区”:10公里范围以内不能耕作、放牧，100公里范围内10年内禁止生产牛奶。5/12/2024核辐射对儿童