材料失效分析緒論(h)

材料失效分析

Materialsfailure

analysis

主講:劉先蘭2014.1Copyright1996-98?DaleCarnegie&Associates,Inc.1/16/20231/16/20231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、失效分析人員的任務(wù)和要求四、《材料失效分析》的主要內(nèi)容1/16/20231/16/20232失效案例之一——德國ICE884次高速列車脫軌事故1/16/20233時間：1998年6月3日。地點：德國埃舍德小鎮(zhèn)。事件經(jīng)過：慕尼黑開往漢堡的德國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。事故的列車為德國第一代ICEI型高速列車,德國共有這種列車60列。聯(lián)邦鐵路局局長在國會聽證會上公布了對事故發(fā)生過程的初步調(diào)查結(jié)果：在列車運行距公路跨線橋約6km時，第1節(jié)拖車的第3輪對的輪箍發(fā)生破裂，列車繼續(xù)以20km/h的速度運行,輪箍斷裂并擁塞在高速運轉(zhuǎn)的輪對中，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、脫軌并與動車脫鉤，脫軌的車輪則落在相鄰的線路上，列車繼續(xù)運行約120m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。駛過跨線橋的頭部動車經(jīng)緊急制動后運行約2km停車,沒有脫軌;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,輪箍是軋制的無縫鋼圈,通過熱效應(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。輪箍軋制時若殘留氣泡或礦碴,在高負荷動力作用下,就可能開裂;

或由于輪箍材料老化產(chǎn)生“疲勞斷裂”所致。1/16/2023失效案例之一——德國ICE884次高速列車脫軌事故1/16/20234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)備的汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子以及其他設(shè)備曾發(fā)生脆性斷裂事故。失效案例之二——二戰(zhàn)時期美國焊接“自由輪”斷裂1/16/20235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，美國的焊接“自由輪”在使用過程中發(fā)生大量的破壞事故，其中238艘向完全報廢、19艘船沉沒。船舶損壞有完全斷裂或部分斷裂兩種情況，據(jù)統(tǒng)計有24艘船舶脆斷成兩半的情況。Shank等人對船舶的脆性斷裂事故作了詳細調(diào)查，并獲得了大量數(shù)據(jù)。認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。

對策：美國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年英國最大油輪“世界協(xié)和”號，在愛爾蘭海的一次大風(fēng)暴中輪船破裂成兩段，當(dāng)時海上溫度為10.5℃。后經(jīng)調(diào)查表明：裂紋發(fā)生在船腹中部，裂紋由船底開始沿船的兩側(cè)向上擴展，并穿過甲板。裂紋是不連續(xù)的，而是由若干單獨的裂紋所組成。總結(jié)船舶脆性斷裂原因大致可歸納為：①鋼板低溫脆性所引起;②脆性斷裂是由應(yīng)力集中處開始;③鋼板具有較大的缺口敏感性。1/16/20231/16/20236嫦娥三號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師張玉花介紹，在結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)方面有三大套機構(gòu)，一套機構(gòu)是帆板，主要負責(zé)玉兔號在月夜的收攏和展開以及再喚醒。還有一套是桅桿機構(gòu)，它承擔(dān)著一個天線四個相機。除此之外還有一個機構(gòu)在車體的正前方，是位于前方的機械臂。目前還不太知道問題究竟出在哪里，但是好消息是，玉兔號終于熬過了零下180攝氏度的月夜，而且已經(jīng)醒過來了。昨晚玉兔號的師傅一直在緊急開會，研究恢復(fù)的方案。探月工程新聞發(fā)言人裴照宇2.14晚9點半接受記者的采訪。案例之三——原因待查1/16/202371、失效一.《材料失效分析》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。失效分析則是對設(shè)備及其構(gòu)件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進行分析研究，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、材料、加工、裝配、使用、維護。

3)研究失效的預(yù)防措施：修改設(shè)計、更換材料、改進加工工藝、合理裝配、正確使用、及時維護等。2、失效分析1/16/20231/16/202383、失效形式1/16/20231/16/202394、失效原因設(shè)計不合理選材不當(dāng)及材料缺陷制造工藝不合理使用操作不當(dāng)和維護不當(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)性能測試技術(shù)理化分析測試技術(shù)晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)無損檢測技術(shù)應(yīng)力分析技術(shù)等1/16/20231/16/2023106、材料失效及其模擬裂紋形成——裂紋擴展——裂紋進一步擴展——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子程序中定義一個狀態(tài)變量來表征材料是否失效。1/16/20231/16/202311失效分析可靠性分析質(zhì)量管理測試技術(shù)無損檢測工程力學(xué)概率統(tǒng)計系統(tǒng)工程模糊數(shù)學(xué)機械設(shè)計工藝學(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1/16/20231/16/2023128、與應(yīng)用學(xué)科結(jié)合失效機械設(shè)計學(xué)失效材料學(xué)失效機械制造學(xué)失效環(huán)境學(xué)失效方法學(xué)機械設(shè)計學(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)＋機制工藝學(xué)機修知識＋腐蝕學(xué)摩擦學(xué)＋無損探傷/模糊判斷學(xué)微分析學(xué)/數(shù)理統(tǒng)計學(xué)金相學(xué)/可靠性工程學(xué)＋1/16/20231/16/202313二、失效分析發(fā)展概況1.發(fā)展歷程特征年代階段1950’S～至今工業(yè)革命前～1940’S工業(yè)革命前①現(xiàn)代物理檢測技術(shù)②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③全國性失效分析中心及失效分析學(xué)會成立④出現(xiàn)大量的失效分析專著和論文集宏觀檢測和光學(xué)金相觀測分析現(xiàn)象描述和憑經(jīng)驗分析現(xiàn)代失效分析近代失效分析初級分析1/16/20231/16/2023142.國內(nèi)外失效分析現(xiàn)狀1)中國◆1970后為失效分析的新時期◆成立了中央部委失效分析研究中心、各類理化實驗室及試驗研究中心、失效分析委員會…◆重大失效事故：國家組織攻關(guān)組或分析小組一般失效事故：單位委托專家分析◆常舉辦全國性和地方性的失效分析學(xué)術(shù)活動工程技術(shù)刊物開辟了失效分析專欄◆失效分析、預(yù)測及預(yù)防知識的逐漸普及：出版了相關(guān)的教材、專著及技術(shù)叢書，高校有關(guān)專業(yè)增設(shè)失效分析課程1/16/20231/16/202315

鐘群鵬--《失效分析基礎(chǔ)》

上海交大--《金屬斷口分析》

褚武揚--《斷裂與環(huán)境斷裂》

劉正義--《機械裝備失效分析圖譜》

陳伯蠡--《焊接工程欠缺分析與對策》

吳望周--《化工裝備斷裂失效分析基礎(chǔ)》

機械工業(yè)委員會--《失效分析》培訓(xùn)教材機械工程學(xué)會材料分會--《機械產(chǎn)品失效分析》叢書胡世炎--《破斷故障金相分析》及《機械失效分析手冊》

張棟--《機械失效的實用分析》及《機械失效的痕跡分析》1/16/20231/16/202316

鄧文龍--《金屬構(gòu)件斷裂分析與防護》

孫智--《失效分-基礎(chǔ)與應(yīng)用》

竇照英--《承壓設(shè)備失效分析與處理》《化工設(shè)備事故分析與預(yù)防及應(yīng)急處理技術(shù)實用手冊》《國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)范實務(wù)全書》《安全生產(chǎn)事故典型案例評析全集》1/16/20231/16/2023171/16/20232)國外如美國◆原子能、宇航部門：失效分析主要由國家研究機構(gòu)承擔(dān)民用工業(yè)部門：失效分析主要由一些公司承擔(dān)◆失效分析與保險公司和法院關(guān)系最密切，常以官司結(jié)案

◆美國金屬學(xué)會(ASM):《HowComponentsFail》(1966)

美國機械工程師學(xué)會(ASME)

、美國材料與試驗學(xué)會(ASTM)

◆ASTM1975年在《金屬手冊》中增設(shè)加“失效分析與預(yù)防”“FailureAnalysisandPrevention”◆JackA.Colins1981年編著《機械設(shè)計中的材料失效》教材，《FailureofMaterialsinMechanicalDesign》1/16/2023181/16/2023191）促進科學(xué)技術(shù)的發(fā)展例1：

19世紀中期，火車軸頻發(fā)斷裂，原因是疲勞。疲勞的研究促進了斷裂力學(xué)和材料強度學(xué)的發(fā)展。例2：二戰(zhàn)期間，美國焊接結(jié)構(gòu)“自由輪”在美國-冰島-英國航線上發(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了低溫材料的發(fā)展。3.失效分析意義1/16/2023191/16/2023202）提高構(gòu)件、裝備的質(zhì)量例1：日本問題轎車的召回制→零件內(nèi)在質(zhì)量大大提高3.提高經(jīng)濟/社會效益例2：20世紀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→開發(fā)不銹鋼新鋼種1/16/202320三、工作人員的任務(wù)和素質(zhì)要求①

尋找失效構(gòu)件及相關(guān)實物證據(jù)②宏觀分析和推理，初步確定失效類型③必要的微觀分析、理化檢驗，再查找失效原因④綜合確定整個失效過程及其失效原因間的聯(lián)系⑤必要時模擬試驗，驗證因果分析的正確性1、主要任務(wù)1/16/20231/16/202321①徹底的求實精神和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度②敏銳的觀察力和熟練的分析技術(shù)③正確的失效分析思路和良好的判斷能力④善于學(xué)習(xí)⑤

扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和寬廣的知識面2、應(yīng)備素質(zhì)1/16/20231/16/202322四、《材料失效分析》的內(nèi)容1、教材莊東漢主編《材料失效分析》華東理工大學(xué)出版社1/16/20231/16/2023232、主要內(nèi)容1/16/20231/16/202324汽車離合器殼體開裂失效分析失效分析案例1/16/20231/16/202325汽車離合器殼體1/16/20231/16/2023261、粗步分析

離合器殼體由鋁合金鑄造而成。一個殼體破斷為兩部分，一個殼體一側(cè)的裂紋長220mm，另一側(cè)有一條15mm長的裂紋。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，無明顯的過渡園角。裂紋擴展方向與該處所受拉應(yīng)力的方向垂直。2、現(xiàn)場調(diào)研

離合器安裝情況：離合器左邊與發(fā)動機相聯(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)動機工作時,殼體受到強烈振動。殼體下部受到瞬時大的拉應(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，同時發(fā)現(xiàn)有園形、橢園形的空洞。最大的一個橢園形孔洞尺寸為0.6mm×1.2mm。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。分析步驟1/16/20231/16/2023274、顯微分析

觀察裂紋形態(tài)及擴展方向。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小小的氣孔，裂紋垂直于殼體邊緣擴展。1/16/20231/16/202328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)致殼體材料的韌性下降。裂紋穿過氣孔，并沿針狀A(yù)l-Si-Fe化合物界面擴展。1/16/20231/16/2023295、掃描電鏡分析

沿晶界或相界擴展的微細裂紋。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。在裂紋快速擴展區(qū)斷裂形貌呈山脊?fàn)钏毫牙狻?、能譜成分分析

對殼體材料和組織中的條狀物進行成分分析。合金的成分接近于鑄造鋁合金ZL102(ZL102成分:90~87%Al,10~13%Si)。含有Fe，生成有害相細針狀的Al-Si-Fe化合物，降低了該合金的韌性。條狀物的Si含量很高，確定其為S