材料失效分析緒論(h)

1、材料(cilio)失效分析Materials failure analysis主講(zhjing): 劉先蘭2014.1Copyright 1996-98 Dale Carnegie & Associates, Inc.7/18/20227/18/20221共三十二頁(yè)緒 論一、材料失效分析的基本概念二、材料失效分析的發(fā)展概況三、失效分析人員(rnyun)的任務(wù)和要求四、材料失效分析的主要內(nèi)容7/18/20227/18/20222共三十二頁(yè)失效案例之一德國(guó)ICE884次高速列車(lich)脫軌事故7/18/20223共三十二頁(yè)時(shí)間：1998年6月3日。地點(diǎn)：德國(guó)埃舍德小鎮(zhèn)。事件經(jīng)過(guò)： 慕尼黑開(kāi)往

2、漢堡的德國(guó)ICE884 次高速列車在埃舍德發(fā)生列車脫軌行車事故。列車由2 輛動(dòng)車和12 輛拖車組成, 12 輛拖車全部脫軌，有101人死亡，100多人受傷。事故的列車為德國(guó)第一代ICEI 型高速列車, 德國(guó)共有這種列車60列。聯(lián)邦鐵路局局長(zhǎng)在國(guó)會(huì)聽(tīng)證會(huì)上公布了對(duì)事故發(fā)生過(guò)程的初步調(diào)查結(jié)果：在列車運(yùn)行距公路跨線橋約6 km 時(shí)，第1 節(jié)拖車的第3輪對(duì)的輪箍發(fā)生破裂，列車?yán)^續(xù)以20 km /h 的速度運(yùn)行, 輪箍斷裂并擁塞在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的輪對(duì)中，發(fā)生劇烈的摩擦 。 在距公路橋約300m處, 已斷裂的輪箍鉤住了埃舍德車站的一組道岔, 使拖車跳起、脫軌并與動(dòng)車脫鉤，脫軌的車輪則落在相鄰的線路上，列車?yán)^續(xù)運(yùn)

3、行約120 m 后，脫軌的輪被鄰線的另一組道岔改變了方向，突然猛烈地甩向右側(cè)，第3 節(jié)拖車尾部與橋墩猛烈沖撞使跨線橋部分坍塌墜落。駛過(guò)跨線橋的頭部動(dòng)車經(jīng)緊急制動(dòng)后運(yùn)行約2 k m 停車, 沒(méi)有脫軌; 與頭車分離的第1 3 節(jié)拖車脫軌后停在橋后約30m 處; 第4-5節(jié)拖車被坍塌的橋梁砸毀, 后部第6 12 節(jié)拖車以巨大的慣性沖撞擠壓在一起, 尾部動(dòng)車幾乎未受損壞。該列車車輪系橡膠彈性車輪, 輪箍是軋制的無(wú)縫鋼圈, 通過(guò)熱效應(yīng)熱壓在輪心上, 輪心是鑄鋼輪體, 輪箍與輪心間有一層橡膠體。輪箍軋制時(shí)若殘留氣泡或礦碴, 在高負(fù)荷動(dòng)力作用下, 就可能開(kāi)裂; 或由于輪箍材料老化(lohu)產(chǎn)生“ 疲勞斷裂

4、”所致。7/18/2022失效案例(n l)之一德國(guó)ICE884次高速列車脫軌事故7/18/20224共三十二頁(yè) 鋼脆性和工程結(jié)構(gòu)脆性斷裂：橋梁、船舶、壓力窗口、管道、球罐、熱電站發(fā)電設(shè)備(shbi)的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及其他設(shè)備(shbi)曾發(fā)生脆性斷裂事故。 失效案例之二二戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)焊接“自由(zyu)輪”斷裂7/18/20225共三十二頁(yè) 在焊接結(jié)構(gòu)斷裂中，船舶的脆性斷裂事故頗受人們注意。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)的焊接“自由輪”在使用過(guò)程中發(fā)生大量的破壞事故，其中238艘向完全報(bào)廢、19艘船沉沒(méi)。船舶損壞有完全斷裂或部分?jǐn)嗔褍煞N情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)有24艘船舶脆斷成兩半的情況。 Shank等

5、人對(duì)船舶的脆性斷裂事故作了詳細(xì)調(diào)查，并獲得了大量數(shù)據(jù)。認(rèn)為造成最主要的原因是鋼的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆斷是在氣溫較低的情況下發(fā)生的。 對(duì)策：美國(guó)造船用鋼板含碳量由0.23%降低到0.21%，含錳量由0.75%增加到0.95%，以使其延性脆性轉(zhuǎn)換溫度由0降低到零下14。 二戰(zhàn)后的1956年英國(guó)最大油輪“世界協(xié)和”號(hào)，在愛(ài)爾蘭海的一次大風(fēng)暴中輪船破裂成兩段，當(dāng)時(shí)海上溫度為10.5。后經(jīng)調(diào)查表明：裂紋發(fā)生在船腹中部，裂紋由船底開(kāi)始沿船的兩側(cè)向上擴(kuò)展，并穿過(guò)甲板。裂紋是不連續(xù)的，而是由若干單獨(dú)的裂紋所組成?？偨Y(jié)船舶脆性斷裂原因大致可歸納為：鋼板低溫脆性所引起(ynq);脆性斷裂是由應(yīng)

6、力集中處開(kāi)始;鋼板具有較大的缺口敏感性。7/18/20227/18/20226共三十二頁(yè) 嫦娥三號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張玉花介紹，在結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)方面有三大套機(jī)構(gòu)，一套機(jī)構(gòu)是帆板，主要負(fù)責(zé)玉兔號(hào)在月夜的收攏和展開(kāi)以及再喚醒。還有一套是桅桿機(jī)構(gòu)，它承擔(dān)著一個(gè)天線四個(gè)相機(jī)。除此之外還有一個(gè)機(jī)構(gòu)在車體的正前方，是位于前方的機(jī)械臂。目前還不太知道問(wèn)題究竟出在哪里，但是好消息是，玉兔號(hào)終于熬過(guò)了零下180攝氏度的月夜，而且已經(jīng)醒過(guò)來(lái)了。昨晚玉兔號(hào)的師傅一直在緊急開(kāi)會(huì)，研究恢復(fù)的方案。探月工程(gngchng)新聞發(fā)言人裴照宇2.14晚9點(diǎn)半接受記者的采訪。 案例(n l)之三 原因待查7/18/20227共

7、三十二頁(yè)1、失效(sh xio)一. 材料失效(sh xio)分析的基本概念 零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能圓滿地完成指定的功能。 如前所述。 失效分析則是對(duì)設(shè)備及其構(gòu)件在使用過(guò)程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進(jìn)行分析研究，找出產(chǎn)生失效的主要原因及防止失效的措施。 1) 判斷失效性質(zhì)：畸變失效、斷裂失效、磨損失效、腐蝕失效。 2) 分析失效原因：設(shè)計(jì)、材料、加工、裝配、使用、維護(hù)。 3) 研究失效的預(yù)防措施：修改設(shè)計(jì)、更換材料、改進(jìn)加工工藝、合理裝配、正確使用、及時(shí)維護(hù)等。2、失效分析7/18/20227/18/20228共三十二頁(yè)3、 失效(sh x

8、io)形式7/18/20227/18/20229共三十二頁(yè)4、 失效(sh xio)原因設(shè)計(jì)不合理選材不當(dāng)及材料(cilio)缺陷制造工藝不合理使用操作不當(dāng)和維護(hù)不當(dāng)5、失效分析技術(shù)金相分析技術(shù)斷口分析技術(shù)力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)理化分析測(cè)試技術(shù)晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)力分析技術(shù)等7/18/20227/18/202210共三十二頁(yè)6、材料失效(sh xio)及其模擬 裂紋形成(xngchng)裂紋擴(kuò)展裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展完全斷裂 在ABAQUS里，模擬材料失效主要有兩種方法：一是使用已有的失效材料模型；另一種方法是使用VUMAT子程序中定義一個(gè)狀態(tài)變量來(lái)表征材料是否失效。7/18/20227/18/2

9、02211共三十二頁(yè)失 效分 析可靠性分析質(zhì)量管理測(cè)試技術(shù)無(wú)損檢測(cè)工程力學(xué)概率統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)工程模糊數(shù)學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)工 藝 學(xué)腐蝕科學(xué)摩 擦 學(xué)斷 口 學(xué)痕 跡 學(xué)裂 紋 學(xué)金 相 學(xué)材 料 學(xué)斷裂物理斷裂力學(xué)斷裂化學(xué)7、與基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)系(gun x)7/18/20227/18/202212共三十二頁(yè)8、與應(yīng)用(yngyng)學(xué)科結(jié)合失效機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)失 效 材 料 學(xué)失效機(jī)械制造學(xué)失 效 環(huán) 境 學(xué)失 效 方 法 學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)工 程 力 學(xué)斷 裂 力 學(xué)失效分析物理冶金學(xué)力學(xué)冶金學(xué)材料工藝學(xué)機(jī)制工藝學(xué)機(jī) 修 知 識(shí)腐蝕學(xué)摩擦學(xué)無(wú)損探傷/模糊判斷學(xué)微分析學(xué)/數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)金相學(xué)/可靠性工程學(xué)7/18/20227

10、/18/202213共三十二頁(yè)二、失效(sh xio)分析發(fā)展概況1. 發(fā)展(fzhn)歷程特 征年 代 階 段1950S至今工業(yè)革命前 1940S工業(yè)革命前現(xiàn)代物理檢測(cè)技術(shù)集斷裂特征分析、力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、 材料抗力分析和可靠性分析于一體全國(guó)性失效分析中心及失效分析學(xué)會(huì)成立出現(xiàn)大量的失效分析專著和論文集宏觀檢測(cè)和光學(xué)金相觀測(cè)分析現(xiàn)象描述和憑經(jīng)驗(yàn)分析現(xiàn) 代失效分析近 代失效分析初級(jí)分析7/18/20227/18/202214共三十二頁(yè)2. 國(guó)內(nèi)外失效(sh xio)分析現(xiàn)狀1) 中國(guó)(zhn u) 1970后為失效分析的新時(shí)期 成立了中央部委失效分析研究中心、各類理化實(shí)驗(yàn)室及 試驗(yàn)研究中心、

11、失效分析委員會(huì) 重大失效事故： 國(guó)家組織攻關(guān)組或分析小組 一般失效事故： 單位委托專家分析 常舉辦全國(guó)性和地方性的失效分析學(xué)術(shù)活動(dòng) 工程技術(shù)刊物開(kāi)辟了失效分析專欄 失效分析、預(yù)測(cè)及預(yù)防知識(shí)的逐漸普及：出版了相關(guān)的教材、專著及技術(shù)叢書(shū)，高校有關(guān)專業(yè)增設(shè)失效分析課程7/18/20227/18/202215共三十二頁(yè) 鐘群鵬-失效分析基礎(chǔ) 上海交大-金屬斷口分析 褚武揚(yáng)-斷裂與環(huán)境斷裂 劉正義-機(jī)械裝備失效分析圖譜 陳伯蠡-焊接工程欠缺分析與對(duì)策 吳望周-化工裝備(zhungbi)斷裂失效分析基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)委員會(huì)-失效分析培訓(xùn)教材 機(jī)械工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)-機(jī)械產(chǎn)品失效分析叢書(shū) 胡世炎-破斷故障金相分析

12、及機(jī)械失效分析手冊(cè) 張 棟-機(jī)械失效的實(shí)用分析及機(jī)械失效的痕跡分析7/18/20227/18/202216共三十二頁(yè) 鄧文龍-金屬構(gòu)件斷裂分析與防護(hù) 孫 智-失效分-基礎(chǔ)與應(yīng)用 竇照英-承壓設(shè)備(shbi)失效分析與處理化工設(shè)備事故分析與預(yù)防及應(yīng)急處理技術(shù)實(shí)用手冊(cè)國(guó)外石油化工事故案例化工事故案例分析與防范石油化工企業(yè)事故案例剖析鍋爐壓力容器爆炸事故案例剖析化工爆炸事故案例化工設(shè)備突發(fā)事故處理與分析預(yù)防技術(shù)規(guī)范實(shí)務(wù)全書(shū)安全生產(chǎn)事故典型案例評(píng)析全集7/18/20227/18/202217共三十二頁(yè)7/18/20222)國(guó)外如美國(guó)(mi u) 原子能、宇航部門：失效分析主要由國(guó)家研究機(jī)構(gòu)承擔(dān) 民用工

13、業(yè)部門：失效分析主要由一些公司承擔(dān) 失效分析與保險(xiǎn)公司和法院關(guān)系(gun x)最密切，常以官司結(jié)案 美國(guó)金屬學(xué)會(huì)(ASM):How Components Fail(1966) 美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME) 、美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM) ASTM 1975年在金屬手冊(cè)中增設(shè)加“失效分析與預(yù)防” “Failure Analysis and Prevention” Jack A. Colins 1981年編著機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料失效教材， Failure of Materials in Mechanical Design7/18/202218共三十二頁(yè)7/18/2022191） 促進(jìn)(cjn)科學(xué)

14、技術(shù)的發(fā)展例1： 19世紀(jì)中期，火車(huch)軸頻發(fā)斷裂，原因是疲勞。疲勞的研究促進(jìn)了斷裂力學(xué)和材料強(qiáng)度學(xué)的發(fā)展。例2： 二戰(zhàn)期間，美國(guó)焊接結(jié)構(gòu)“自由輪”在美國(guó)-冰島-英國(guó)航線上發(fā)生千余次斷裂破壞事故，原因是碳鋼和低合金鋼在低溫出現(xiàn)脆性。低溫脆性的研究促進(jìn)了低溫材料的發(fā)展。3. 失效分析意義7/18/202219共三十二頁(yè)7/18/2022202）提高(t go)構(gòu)件、裝備的質(zhì)量例1：日本問(wèn)題轎車(jioch)的召回制零件內(nèi)在質(zhì)量大大提高3. 提高經(jīng)濟(jì)/社會(huì)效益例2：20世紀(jì)20年代奧氏體不銹鋼的腐蝕失效提出晶間貧鉻腐蝕選擇性腐蝕沉淀相腐蝕理論開(kāi)發(fā)不銹鋼新鋼種7/18/202220共三十二頁(yè)

15、三、工作人員的任務(wù)(rn wu)和素質(zhì)要求 尋找失效構(gòu)件及相關(guān)實(shí)物證據(jù) 宏觀分析和推理，初步確定失效類型 必要的微觀分析、理化檢驗(yàn)(jinyn)，再查找失效原因 綜合確定整個(gè)失效過(guò)程及其失效原因間的聯(lián)系 必要時(shí)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證因果分析的正確性1、 主要任務(wù)7/18/20227/18/202221共三十二頁(yè) 徹底的求實(shí)精神(jngshn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度 敏銳的觀察力和熟練的分析技術(shù) 正確的失效分析思路和良好的判斷能力 善于學(xué)習(xí) 扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和寬廣的知識(shí)面2、 應(yīng)備素質(zhì)(szh)7/18/20227/18/202222共三十二頁(yè)四、材料失效(sh xio)分析的內(nèi)容1、教材 莊東漢(DngHn)

16、主編 材料失效分析華東理工大學(xué)出版社7/18/20227/18/202223共三十二頁(yè)2、主要(zhyo)內(nèi)容7/18/20227/18/202224共三十二頁(yè)汽車離合器殼體開(kāi)裂(ki li)失效分析失效分析(fnx)案例7/18/20227/18/202225共三十二頁(yè)汽車(qch)離合器殼體7/18/20227/18/202226共三十二頁(yè)1、粗步分析 離合器殼體由鋁合金鑄造而成。一個(gè)殼體破斷為兩部分，一個(gè)殼體一側(cè)的裂紋長(zhǎng)220mm，另一側(cè)有一條15mm長(zhǎng)的裂紋。裂紋的起始位置均在殼體側(cè)面下方的交界處。殼體側(cè)面的內(nèi)表面呈135和90夾角，無(wú)明顯的過(guò)渡園角。裂紋擴(kuò)展方向與該處所受拉應(yīng)力的方向

17、垂直。2、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研 離合器安裝情況：離合器左邊與發(fā)動(dòng)機(jī)相聯(lián)，右邊與變速器相聯(lián)。離合器殼體受到較大彎矩作用。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí), 殼體受到強(qiáng)烈振動(dòng)。 殼體下部受到瞬時(shí)大的拉應(yīng)力作用，在應(yīng)力集中處容易產(chǎn)生裂紋造成開(kāi)裂或破斷。3、顯微鏡下觀察 斷裂面有放射狀撕裂棱。斷面上有許多閃光的小點(diǎn)，同時(shí)(tngsh)發(fā)現(xiàn)有園形、橢園形的空洞。最大的一個(gè)橢園形孔洞尺寸為0.6mm1.2mm。這些空洞的內(nèi)表面呈熔融金屬凝固態(tài)，為鑄造缺陷氣孔。分析(fnx)步驟7/18/20227/18/202227共三十二頁(yè)4、顯微分析 觀察裂紋形態(tài)及擴(kuò)展方向(fngxing)。裂紋端部位于殼體兩側(cè)面內(nèi)表面相交處，裂紋上及其附近有大大

18、小小的氣孔，裂紋垂直于殼體邊緣擴(kuò)展。 7/18/20227/18/202228共三十二頁(yè) 金相顯微組織由白色的a固溶體+灰色的條狀及小塊狀的Si晶體+黑色細(xì)針狀A(yù)l-Si-Fe化合物組成。黑色針狀A(yù)l-Si-Fe化合物為有害相，導(dǎo)致(dozh)殼體材料的韌性下降。裂紋穿過(guò)氣孔，并沿針狀A(yù)l-Si-Fe化合物界面擴(kuò)展。7/18/20227/18/202229共三十二頁(yè)5、掃描電鏡分析 沿晶界或相界擴(kuò)展的微細(xì)裂紋。平整的晶體平面。觀察到晶界和晶內(nèi)的裂紋。該殼體材料的斷裂機(jī)制為一種包含沿晶(或相界)斷裂和穿晶斷裂兩種形式的混合斷裂。在裂紋快速擴(kuò)展區(qū)斷裂形貌呈山脊?fàn)钏毫牙狻?、能譜成分分析 對(duì)殼體材料

19、和組織中的條狀物進(jìn)行成分分析。合金的成分接近于鑄造鋁合金ZL102(ZL102成分: 9087%Al, 1013%Si)。含有Fe，生成有害相細(xì)針狀的Al-Si-Fe化合物，降低(jingd)了該合金的韌性。條狀物的Si含量很高，確定其為Si晶體。 7、硬度測(cè)定 (1) 布氏硬度測(cè)定 硬度為5461HB。該殼體的硬度值與鑄造鋁合金ZL102的硬度相近。 (2) 顯微硬度測(cè)定 白色塊狀物 65HV0.02 ； 條狀物 75HV0.02 合金的硬度較低，反映該合金的強(qiáng)度也較低，只能用于對(duì)強(qiáng)度要求不高的鑄件。7/18/20227/18/202230共三十二頁(yè)8、斷裂原因分析 (1) 所用材料強(qiáng)度低，氣孔多。合金含鐵量高, 出現(xiàn)較