复旦材料失效分析课件第1章材料失效分析概论

1.1概述1.2失效分析的基本概念1.3失效模式与失效机理的相互关系1.4失效分析的主要特点1.5失效分析学科的发展历程1.6国际失效分析会议简介1.7失效分析工作者的应有素质第一章材料失效分析概论1.1.1基本状况失效现象遍及各行各业，经济损失很大，故失效问题一直引起社会各界的广泛关注和研究。据估算，每年因失效引起的经济损失占各国GDP的2~4%。以我国为例，近3年GDP分别是：74.41万亿元（2016）、82.71万亿元（2017）、90.03万亿元(2018)，若以4%估算，其损失分别是：2.97万亿元(2016)、3.31万亿元(2017)、3.60万亿元(2018)。经济损失巨大！1.1概述1.1概述1.1.2失效分析的意义●失效分析是综合运用材料基础知识和各种表征方法，开展事故调查、分析和研究的。通过失效分析,可以找到失效的产生原因，从而避免同类事故的重复发生，经济效益将是巨大的。它的作用主要有：1.防止同类事故的重复发生，保障社会稳定；2.明确事故的责任，维护用户的应有权益；3.吸取经验教训，提高产品质量、改善安全管理；4.促进材料研究的进步，为设计开发新材料、改进现有材料性能从理论上指明方向。1.2.1失效的定义●《新华词典》的定义*丧失功效或效力。*《新华词典》，1982，p757●国标GB3187-82《可靠性基本名词术语及定义》的定义失效：产品丧失规定的功能，对可修复产品通常称为故障。●《材料大辞典》的定义*失效，又称复合材料的破坏，指复合材料在经过某些物理、化学过程后（如载荷作用、材料老化、温度和湿度变化等）发生了尺寸、形状、性能的变化而丧失了规定的功能。*师昌绪主编.材料大辞典.化学工业出版社,1994，p851.1.2失效分析的基本概念●《美国金属学会手册》的定义*按照《ASMHandbook》的定义，服役的任何结构件出现以下三种状态之一时即为失效：1.完全不能修复时；2.仍可以使用，但不能满意地达到规定的功能时；3.受到严重损伤，不能继续安全可靠地使用时。*ASMHandbook.Vol.11:FailureAnalysisandPrevention(10thEd.).ASMInternational,2002,p2884.1.2失效分析的基本概念1.2.2失效的新定义*√失效(failure)是产品因外观形态或微观结构发生变化而不能达到设计规定的功能电子缺陷离子缺陷原子缺陷线状缺陷平面缺陷体型缺陷组织退化微观结构截面分离局部损伤变形过量表面变性外观形态*杨振国.论失效分析的本质及其内在关系.理化检验-物理分册，2013,49(S2):1-3.（第五届全国失效分析学术会议大会特邀报告）1.2失效分析的基本概念1.2.3失效分析的内容材料失效分析是为查明构件失效原因并采取预防措施而开展的一系列技术活动。它有六项内容：(1)确认失效模式（failuremode）(2)确定失效形式（failureform）(3)辨认失效缺陷（failuredefect）(4)解析失效机理（failuremechanism）(5)判定失效起因（failurecause）(6)给出解决对策（countermeasure）1.2失效分析的基本概念◆失效模式（宏观尺度）构件失效后的外观表现形式，即可以观察并且可测量的失效的宏观特征。比如：脆性断裂、疲劳扩展、接触磨损、超载变形等。●失效分析的任务是确定构件的失效模式、失效形式、失效缺陷、失效机理与失效起因的相互关系1.2.4失效模式的新分类1.2失效分析的基本概念●基于构件失效的外观形态，工程材料应有五大失效模式：(1)断裂(fracture)(2)腐蚀(corrosion)(3)磨损(wear)(4)畸变(distortion)：构件的外观形态因过量变形失去结构的稳定性(5)衰减(attenuation):构件的微观结构因环境和载荷作用随时间而劣化1.2失效分析的基本概念◆失效形式（细观尺度）构件失效后展现的形貌特征及具体位置。以齿轮失效为例，齿根左侧裂开、齿轮节圆凹陷、齿轮表面磨损、齿轮顶部脱落等。◆失效缺陷（可见尺度）引起构件损伤或损坏的初始缺陷(原始缺陷)。比如：起裂源、夹杂物、裂纹、腐蚀坑等。1.2失效分析的基本概念◆失效机理（微观尺度）失效过程中发生的物理与化学的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀失效模式下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。◆失效起因促使失效机理起作用的关键因素。比如：超载、疲劳载荷、电化学腐蚀、冲刷磨损等。◆解决对策提出的解决方案不仅方法简单，而且实施后有效。1.2失效分析的基本概念泰坦尼克号是20世纪初世界上最大的豪华游轮。它长260m、宽28m、高51m、吨位46328t，设计航速24节，载客量3000余人，耗资7500万英镑。船体结构采用双壳层和十六个互相隔开的水密舱等安全措施，故当时被认为是一艘“永不沉没的”巨轮。它的首航是在1912年4月10日从英国南安普顿出发前往纽约的，航速为22节（40.7km/h），但4月14日晚11:40分在北大西洋与漂浮的大冰山相撞时，由于船体右侧六个前仓壳体全部裂开，2小时47分后沉没海中。船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬生海底，这是迄今为止世界上发生的最大的海事事件。1.2.5泰坦尼克号的沉没过程分析1.2失效分析的基本概念图1贝尔法斯特的泰坦尼克号纪念馆(2012年对外开放)(b)入口处(c)建造现场(a)外观(c)漂流的小冰山(d)漂流的另一小冰山(a)冰河湖景区(b)航行在冰河湖中图2电影《泰坦尼克号》在冰岛冰河湖的摄制现场图3撞沉泰坦尼克号的大冰山**泰坦尼克号/5677?fr=aladdin图4泰坦尼克号处女航(b)起航时(c)航行中(a)航行路线图5北大西洋海底下泰坦尼克号遗物（3900m）(c)船栏(d)船头(a)望远镜（b）陶壶图6泰坦尼克号船体及连接形式(a)船体的铆钉连接结构(b)船体铆接外观形貌（总计300多万个铆钉）●泰坦尼克号断裂过程的解析图7泰坦尼克号超大型外形结构(a)船头外形(b)船尾螺旋桨(b)船体的冲击断口(c)现代船体的冲击断口(a)船体的金相组织图8泰坦尼克号船体的金相组织与冲击断口形貌脆断形貌延断形貌铁素体组织（灰色）珠光体组织（白色）MnS夹杂物（黑色）●泰坦尼克号船体备用件性能检测●事故调查分析在对泰坦尼克号船体备用件进行性能检测后，发现铆钉和船板均有大量超标的MnS夹杂物,纵横向韧脆转变温度分别为320C、560C,而当时的水温是-20C。可以推定,泰坦尼克号与冰山相撞时的失效特征是脆性断裂(失效模式)，因为铆钉和船板含有大量超标的MnS夹杂物和P元素，以及航速本身过快（23节）。因而，水密舱在冰山的撞击下，船板的固定铆钉及含夹杂物船板发生多处断裂、裂开及变形（失效形式），并形成若干条裂缝及裂纹(失效缺陷)。随后，这些裂缝及裂纹发生快速扩展，导致水密舱间不同缺陷彼此相连(失效机理)，形成几个大裂口，最终整个船体因过量进水发生倾斜而快速沉没。因此，泰坦尼克号的失效是在冰山撞击力、铆钉及船板的断裂韧性低、航速过快等三种因素的相互作用下发生低应力脆性断裂(失效起因)。3.失效模式的新分类1.DivisionoftheHistoryofTechnology,TransportationCollections,NationalMuseumofAmericanHistory,incooperationwiththePublicInquiryMailService,SmithsonianInstitution,TheTitanic,(SmithsonianInstitution,May1997).（2）:49-55.4.W.H.Garzke,K.B.David,andS.Arthur.ThestructuralfailureoftheTitanic.InOceansConferenceRecord(IEEE),1994,Vol.3,pp.138-148.5.S.Hill.Themysteryofthetitanic:acaseofbrittlefracture.MaterialsWorld,1996,4(6):334-335.6.失效分析专家深度揭秘泰坦尼克号沉没起因.材料与测试.2015.12.2=1附录:泰坦尼克号沉没事故的相关文献断裂脆性断裂：解理断裂、沿晶断裂、蠕变断裂、应力腐蚀开裂、低温脆断、氢脆、碱脆、辐照脆化等韧性断裂：延性断裂、塑性断裂等疲劳断裂：应力疲劳、应变疲劳、腐蚀疲劳、高周疲劳、低周疲劳等电化学腐蚀:均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂、疲劳腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀（冲蚀、气蚀）、氢腐蚀、碱腐蚀等化学腐蚀：高温氧化、高温碳化、热腐蚀等粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、微动磨损、腐蚀磨损、冲刷磨损、冲击磨损、冲蚀磨损、电蚀磨损等金属的失效模式与失效机理的关系腐蚀磨损畸变弹性变形、塑性变形、翘曲变形、挠曲变形、粘弹性变形、失稳褶曲等衰减蠕变损伤、辐照损伤、粘弹性损耗、粘塑性损伤、环境致劣等蠕变断裂：蠕变疲劳、高温疲劳等1.3失效模式与失效机理的相互关系电化学腐蚀:均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂、疲劳腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀（冲蚀、气蚀）、氢腐蚀、碱腐蚀等物理腐蚀：物理溶胀、熔盐熔解等1.4.1失效分析的复杂性1.4失效分析的基本特点任何材料的失效一般经历从产品到构件、从构件到损伤的二个不同阶段，即“六品”、“五件”、“四化”、“3P”。正确理解它们的本质含义及其相互关系，对开展有效的失效分析至关重要。●六品（产品）制品、成品、半成品、物品、次品、废品。●五件（构件）零件、部件、组件、元件、器件。●四化（损伤）劣化(微观)、退化(细观)、脆化(宏观)、老化(外观)。1.4失效分析的基本特点●“3P”安全保障新理念工程构件不可能做到100%无缺陷，存在一些不完整性，最终会影响其使用安全性。因此，必须采用“3P”安全保障新理念，从设计安全模式转变为安全设计模式，确保构件在全寿命使用周期内的安全性：1.Prevention（预防）2.Protection（防护）3.Prediction（预测）1.4失效分析的基本特点1.4.2失效分析的综合性●产品的质量管理实行“五要素”法或“六要素”法：“人、机、料、法、环”（4M1E分析法）“人、机、料、法、环、测”（5M1E分析法）●产品的失效分析则更复杂：分析人员不仅要有专业知识，还要有工程知识，熟悉标准、规范、规程，甚至包括管理学、心理学等知识。1.4.3失效原因的多样性1.4失效分析的基本特点1.材料选用不适2.结构设计欠妥3.制造质量一般4.安装方式不当5.检测方法不妥6.组织性能劣化7.维护过程疏漏8.人员操作有误9.工况介质复杂10.外部环境变化11.储运过程不良12.失效机理不明13.保护措施简单1.4.4失效分析的完整性1.4失效分析的基本特点一个构件的失效常常涉及以下十种因素的一种或多种：1.设计（design）2.材料（material）3.制造（fabrication）4.安装（installation）5.检验（inspection）6.运行（operation）7.维护（maintenance）8.环境（environment）9.储存（storage）10.运输