失效分析第一章

失效分析基礎(chǔ)主講教師：張榮軍長安大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)系方式：rjzh@本課程的目的機械產(chǎn)品在使用過程中常發(fā)生變形、斷裂、磨損、腐蝕等失效現(xiàn)象為了防止或延緩這些失效現(xiàn)象，必須對失效現(xiàn)象進行分析和研究，找出失效原因并提出改進措施課程主要內(nèi)容失效分析的基本概念失效分析基礎(chǔ)知識失效分析基本方法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金屬構(gòu)件加工缺陷與失效實例分析學(xué)時分配本課程共分為8章，需30學(xué)時緒論、第一章2學(xué)時第二章4學(xué)時第三章4學(xué)時第四章4學(xué)時第五章4學(xué)時第六章4學(xué)時第七章6學(xué)時第八章2學(xué)時先修課程《機械設(shè)計及理論》《材料科學(xué)基礎(chǔ)》《材料力學(xué)性能》《摩擦與磨損基礎(chǔ)知識》《腐蝕學(xué)》《材料加工方法》學(xué)習(xí)方法

本課程所涉及的知識面寬，知識點多注重理論聯(lián)系實際的學(xué)習(xí)方法注重各學(xué)科之間相互聯(lián)系的學(xué)習(xí)方法翻閱科技文獻課堂要求不遲到、不早退,不曠課上課時不帶手機等通訊工具上課時不要吃東西考試成績課程成績=平時成績+考試成績×70%平時成績（作業(yè)+點名+實驗）共15次，每次2分，共30分期末考試，閉卷，100分第一章失效分析概論1.1失效的基本狀況1.2失效分析基本概念1.3失效分析基本特點1.4失效分析的意義1.5失效分析的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1失效的基本狀況

1.1.1失效問題每時每刻都在發(fā)生，遍及各行各業(yè)1.1.2失效會造成巨大的經(jīng)濟損失

“鑫諾二號”衛(wèi)星重約5.1噸，設(shè)計功率1萬瓦，設(shè)計壽命15年，運營壽命12年，定點于東經(jīng)92.2度赤道上空地球同步軌道上，為中國大陸、港、澳、臺地區(qū)直播電視、數(shù)字電視、廣播和數(shù)字寬帶多媒體系統(tǒng)等用戶服務(wù)。2006年11月21日發(fā)射，2007年11月18日指出，該衛(wèi)星太陽能帆板無法打開，一直不能正常工作。直接經(jīng)濟損失20億RMB，間接損失1000億元以上。深圳“太空迷航”事件2010年6月29日下午4時許，深圳東部華僑城景區(qū)太空迷航設(shè)備發(fā)生安全事故，造成6死10傷。1.1.3失效的定義《新華詞典》定義為：喪失功效或效力GB3187-82定義為：產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能《材料大詞典》定義為：材料在經(jīng)過某些物理、化學(xué)過程后（如載荷作用、材料老化、溫度和濕度變化）發(fā)生了尺寸、形狀、性能的變化而喪失了規(guī)定的功能《ASMHandbook》定義為：服役的構(gòu)件出現(xiàn)以下三種狀態(tài)之一時即為失效：1.零件完全喪失其功能2.部分失去其功能，雖能工作，但不能完成規(guī)定動作3.能夠工作，也能完成規(guī)定動作，但繼續(xù)使用時不能保證安全可靠性楊振國*認(rèn)為：失效是指產(chǎn)品因微觀結(jié)構(gòu)和外形形態(tài)發(fā)生變化而不能滿意地達到規(guī)定的功能

因此，如果機械零部件由于種種原因失去了它應(yīng)有的功能時，則稱為失效。

也可以理解為零件的使用壽命小于其預(yù)期壽命。*楊振國.論失效分析的本質(zhì)及其內(nèi)在關(guān)系.理化檢驗-物理分冊：2013年全國失效分析學(xué)術(shù)會議專輯,2013,49(S2):1-3.1.2失效分析基本概念1.2.1失效分析概述

失效分析是面向應(yīng)用、面向工程、面向未來的學(xué)科，特點有二：（1）綜合性：涉及許多學(xué)科和技術(shù)門類，呈學(xué)科交叉性；（2）經(jīng)濟性：與國民經(jīng)濟發(fā)展緊密相連，應(yīng)用極其廣泛。1.2.2失效分析的內(nèi)容

失效分析是對失效構(gòu)件為查明失效起因并采取預(yù)防措施而進行的一切技術(shù)活動。它運用各種分析儀器和方法，對失效件進行綜合分析，查明失效原因，并采取措施防止同類失效的再發(fā)生，一般應(yīng)包含五項內(nèi)容：(1)判定失效模式（failuremode）(2)界定失效缺陷（failuredefect）(3)鑒定失效機理（failuremechanism）(4)確定失效起因（failurecause）(5)提出解決對策（countermeasure）

失效分析是確定構(gòu)件的失效模式、失效缺陷、失效機理、失效模式與失效起因的相互關(guān)系失效模式失效模式是指構(gòu)件失效后的外觀形式，即可觀察的、可測量的失效的宏觀特征。比如，脆性斷裂疲勞開裂、接觸磨損等。根據(jù)構(gòu)件失效的宏觀特征，失效模式應(yīng)有五種：

(1)變形(deformation

)(2)斷裂(fracture)(3)腐蝕(corrosion)(4)磨損(wear)(5)衰減(attenuation):微結(jié)構(gòu)隨時間、環(huán)境等因素漸變?nèi)趸毕菔菍?dǎo)致構(gòu)件損傷或損壞的實際缺陷。比如：裂紋、腐蝕坑、磨損帶、分層等失效機理使構(gòu)件失效所發(fā)生的物理、化學(xué)的變化過程，即失效的微觀機制。比如：腐蝕模式下的電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶界腐蝕、點蝕等失效起因促使失效機理起作用的主要因素。比如：超載、疲勞載荷、電極電位差、微動摩擦等Titanic的失效模式、機理、缺陷與起因的關(guān)系

Titanic是20世紀(jì)初世界上最大的豪華游輪。它長260m、寬28m、高51m、噸位46328t，可載客3000多人，總耗資7500萬英鎊。船體設(shè)計采用了雙殼層和十六個相互隔離的水密艙等安全措施，因而當(dāng)時被認(rèn)為是一艘“永不沉沒的”巨輪。

1912年4月10日從英國南安普頓出發(fā)前往紐約，航速22節(jié)，4月14日晚11:40分在北大西洋與大冰山相撞，2小時47分后就沉沒了。船上共有2208人，僅705人獲救，1503人葬生海底，這是迄今為止世界上發(fā)生的最大的海事事故。1.2.3失效分析的作用

失效分析是綜合運用材料科學(xué)基礎(chǔ)知識和其他技術(shù)科學(xué)開展事故分析與預(yù)防的，因而是一門交叉性的綜合性學(xué)科。它的作用和意義主要有：（1）防止重大事故的再發(fā)生，保障社會穩(wěn)定（2）明確事故的責(zé)任，維護用戶的正當(dāng)權(quán)益（3）吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性（4）通過工程分析，為經(jīng)濟索賠提供技術(shù)依據(jù)（5）促進材料科學(xué)的技術(shù)進步，為開發(fā)新材料和改進基礎(chǔ)材料的性能從理論上指明方向

失效分析常是事后分析，但最好的方法是事前分析。1.3失效分析的基本特點1.3.1失效分析的研究對象是由某種材料經(jīng)加工而成的機械零件。

零件的經(jīng)歷：開發(fā)規(guī)劃，設(shè)計，選擇加工機械，加工制造，包裝，貯存，運輸，安裝，試運行，使用，維修等過程。

苛刻條件將加速零件失效過程的進行。20鋼Al2O3橡膠MMC1.3.2失效分析的復(fù)雜性應(yīng)該指出：“失效”和“事故”是兩個不同的概念2015年9月7日上午，陜西旬陽出租車司機劉師傅開車正轉(zhuǎn)彎的時候，方向盤突然斷裂，所幸當(dāng)時車速不快，及時剎車控制住車輛。

1.3.3失效分析的綜合性產(chǎn)品質(zhì)量管理一般實行“五要素”法管理：“人、機、料、法、環(huán)”“人、機、料、法、環(huán)、測”但產(chǎn)品的失效分析更復(fù)雜，分析人員不僅需要有材料、工藝、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、控制、檢驗等專業(yè)知識，還要懂得安裝、維護、運行、環(huán)境等工程知識，同時也要熟悉生產(chǎn)過程涉及的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程，還包括心理學(xué)等在內(nèi)的一些管理知識。

1.3.4失效分析的系統(tǒng)性從結(jié)構(gòu)完整性考慮，一個構(gòu)件的失效分析從技術(shù)層面上應(yīng)包含八個方面：(1)設(shè)計(design)(2)材料(material)(3)制造(fabrication)(4)安裝(installation)(5)檢驗(inspection）(6)操作(operation)(7)維護(maintenance)(8)環(huán)境(environment)1.3.5失效分析的主要步驟(1)現(xiàn)場檢查：運行史、工藝流程、圖紙核對等；(2)外觀檢測：缺陷形態(tài)及異物等觀察與分析；(3)微觀分析：缺陷的微觀形貌觀察與成分測定；(4)性能檢驗：力學(xué)、物理、化學(xué)等性能評定；(5)環(huán)境評估：工況介質(zhì)、異物等測試與評價；(6)模擬試驗：失效現(xiàn)象的再現(xiàn)和驗證；(7)事故結(jié)論：分析結(jié)果必須快速、正確；(8)解決對策：治理方案應(yīng)該簡單、有效。1.4失效分析的意義（1）事故責(zé)任的法律認(rèn)定（2）防止事故的再發(fā)生（3）提高產(chǎn)品的可靠性（4）促進新材料的研發(fā)

因此，失效分析作為一門綜合性學(xué)科，不僅對社會穩(wěn)定和國民經(jīng)濟發(fā)展起到保障促進作用，而且對新材料的研發(fā)和新產(chǎn)品的開發(fā)更有工程價值和理論意義。1.5失效分析的發(fā)展現(xiàn)狀1.5.1美國的失效分析發(fā)展概況國防、軍工、核電、宇航等領(lǐng)域的失效分析，主要由國家級研究機構(gòu)承擔(dān)。比如，橡樹嶺國立研究所、NASA、肯尼迪中心、約翰遜中心、西南研究院等。民用工業(yè)領(lǐng)域的失效分析，則在各大公司和大學(xué)研究機構(gòu)內(nèi)進行，如Amoco研究中心、MIT、西北大學(xué)等。美國金屬學(xué)會(ASM)是最早出版《失效分析手冊》的權(quán)威機構(gòu)，從1923年起就編輯出版《金屬手冊》各分卷，目前已出版23卷。1.5.2英國的失效分析發(fā)展概況英國從事失效分析的、著名的大型研究機構(gòu)有：國立工程研究所（NEL）；國立物理研究所（NPL）；中央電力局（CEGB）；英國石油（BP）；英國煤氣天然氣公司（BG）；以及分布在許多高校里的失效分析研究機構(gòu)。1.5.3德國的失效分析發(fā)展概況德國共有500多個研究機構(gòu)和保險公司，專門從事失效分析的研究，是世界組織化程度最高的國家。

德國國家投資建設(shè)了一批材料檢驗中心。國家技術(shù)監(jiān)督部門（TUV）還強制規(guī)定，凡機器設(shè)備發(fā)生失效事故，必須申報備案開展失效原因分析。

自1949年起，德國就出版了與工業(yè)腐蝕失效密切相關(guān)的國際權(quán)威期刊:《MaterialsandCorrosion》。同時，還出版了德文版《機械失效》雜志等。1.5.4中國的失效分析發(fā)展概況我國從上世紀(jì)70年代起就加強了失效分析的研究。1980年8月，中國機械工程學(xué)會材料分會成立暨全國失效分析研討會在北京舉行。1986年8月，中國機械工程學(xué)會失效分析工作委員會成立，北航的鐘群鵬院士任主任委員。以后曾不定期地組織召開了幾次大型戰(zhàn)略研討會。1993年，中國機械工程學(xué)會失效分析工作委員會正式更名為中國機械工程學(xué)會失效分析分會，鐘群鵬院士擔(dān)任首屆理事長。1994年7月，中國科協(xié)組建了由全國24個一級學(xué)會參加的最高權(quán)力機構(gòu)“全國失效分析和預(yù)防中心”。2003年4月起，中國機械工程學(xué)會失效分析分會換屆，中石油的李鶴林院士任第二屆理事會理事長，任職至今。中國機械工程學(xué)會失效分析分會與中國機械工程學(xué)會理化檢驗分會經(jīng)協(xié)商，從2005年起聯(lián)合舉辦每二年一屆的“全國失效分析學(xué)術(shù)會議”，每屆以?？霭鏁h論文集。前五屆分別是：2005年(廣州)、2007年(長沙)、2009年(上海)、2011年(西安)、2013(大連)。1.6鑒于事故責(zé)任認(rèn)定的重要性、復(fù)雜性