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1第一章概述一.金属构件的失效及失效分析21.失效的概念金属装备中金属零部件称为金属构件。金属装备及其构件都为完成某种规定的功能。例如:容器由壳体、接管、连接结构、支座等构成;管壳式换热器由壳体、换热管束、管板、支承等构成。金属装备及其构件在使用过程中,由于应力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用,失去其原有功能的现象时有发生。这种丧失其规定功能的现象称为失效。31.1失效产品丧失规定的功能称为失效。1.2失效和事故失效与事故是紧密相关的两个范畴,事故强调的是后果,即造成的损失和危害,而失效强调的是机械产品本身的功能状态。失效和事故常常有一定的因果关系,但两者没有必然的联系。1.3失效和可靠失效是可靠的反义词。机电产品的可靠度R(t)是指时间t内还能满足规定功能产品的比率,即n(t)/n(0),n(t)为时间t内满足规定功能产品的数量,n(0)为产品试验总数量。41.4失效件和废品失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件,而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。1.5失效学研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。失效学与相关学科的边界还不够明确,它是一个发展中的新兴学科。52.失效的种类种类1:完全失去原有功能的现象是失效;例如,压力容器在运行中突然产生壳体开裂引起介质外泄或爆破,涡轮机在运转中突然发生叶片断裂而停止运转或使整机遭到破坏,这种完全失去原有功能的现象毫无疑问是失效;62.失效的种类•种类2:金属装备性能劣化,不能完成指定的任务。例如,换热器流道变形、污垢堵塞使传热系数下降,压缩机气缸内壁腐蚀使排出气体压力下降,这时虽然换热器和压缩机尚未完全不能使用,也可认为已经失效;72.失效的种类•种类3:金属装备整体功能并无任何变化,但其中某个构件部分或全部失去功能,虽然装备还能正常工作,但在某些特殊情况下就可能导致重大事故,这种失去安全工作能力的情况也属于失效;例如:锅炉和压力容器的安全阀失灵、火车或汽车的刹车失灵等。8•按材料损伤机理分类•根据机械失效过程中材料发生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特征差异,可以分类如图所示。9按机械失效的时间特征分类•(1)早期失效可分为偶然早期失效和耗损期失效。•(2)突发失效可分为渐进(渐变)失效和间歇失效。10按机械失效的后果分类•(1)部分失效•(2)完全失效•(3)轻度失效•(4)危险性(严重)失效•(5)灾难性(致命)失效113.失效实例1944年10月20日,美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气储藏基地,一台直径21.3m,高12.8m的圆筒形储罐由于在1/3~1/2的高度处壳体破裂而喷出气体和液体,随后爆炸起火,20min后,一台内径为17.4m的球罐因受热倒塌而爆炸,由此造成128人死亡,当时经济损失达680万美元。123.失效实例1984年12月3日凌晨,在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司所属的一家化工厂,由于安全装置失灵,系统升压导致储罐管路破裂,泄出大量毒气,造成375人死亡,2000人重伤。该市50万居民中有20万受到毒气的侵害,其中2万人需要住院治疗。有关方面要求美国公司赔偿150亿美元的损失费。133.失效实例1979年9月7日,中国某电化厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸,使10t液氯外溢扩散,波及范围7.25km2,致使59人死亡,779人中毒,当时统计的直接经济损失达63万元。前不久中俄边界化工厂失火,熄灭火的冷却介质流到工厂旁边的江水中造成环境污染最终导致饮水困难14美国墨西哥湾的英国抽油井•最近发生在美国墨西哥湾的英国抽油井水原油泄漏,其原因就是在发生抽油井爆炸时,井下的阀门无法关闭。结果造成大量原油泄漏,经济损失高达几百亿美元的损失和企业股票的严重下滑。•还有我国大连原油码头储存油罐爆炸问题。也存在阀门无法打开问题。15美国大型船舶断裂16綦江彩虹桥垮塌-脆性断裂坍塌的彩虹桥17轴承套圈断裂失效18Diagramoffatiguefractureface19204.总结金属装备及其构件失效带来人员伤亡和直接巨大的经济损失。同时失效也会造成惊人的间接经济损失。所谓间接的经济损失,主要包括由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失;引起其他企业停产或减产的损失;影响企业的信誉和市场竞争力所造成的损失等。由于设备失效引起企业及与其相关的其他企业停产而造成的损失,往往难于精确计算,实际的损失可能比估算的数字还要大。215.失效分析对装备及其构件在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,从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施,称为失效分析。通过对失效件的分析,明确失效类型、找出失效原因,采取改进和预防措施,防止类似的失效在设计寿命范围内再发生,对装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义。这就是失效分析的目的。22失效分析的分类失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为:(1)狭义的失效分析主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。(2)广义的失效分析不仅要找出引起产品失效的直接原因,而且要找出技术管理方面的薄弱环节。(3)新品研制阶段的失效分析对失效的研制品进行失效分析。2324(4)产品试用阶段的失效分析对失效的试用品进行失效分析。(5)定型产品使用阶段的失效分析对失效的定型产品进行失效分析。(6)修理品使用阶段的失效分析对失效的修理品进行失效分析。25二.失效分析的意义•(1)失效分析可减少和预防产品或装备同类失效现象重复发生,从而减少经济损失或提高产品质量。•(2)失效是产品质量控制网发生偏差的反映,失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作,是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键技术环节。26二.失效分析的意义•(3)失效分析可为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。•(4)失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。•(5)失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。27二.失效分析的意义另外历史上:1.促进科学技术发展例如,19世纪中期,铁路运输的出现给工作和生活带来了方便,但不久后频繁出现车轴的断裂,当时都无法解释。通过对大量断轴失效分析和试验研究工作,找到了原因:金属构件在交变应力的作用下,即使该应力远远低于金属材料的拉伸强度,经过一定的循环积累,也会发生断裂,这就是“疲劳”。此后经物理学家、冶金学家、机械工程师反复、深入、系统的研究,使疲劳断裂成为金属材料强度学中的一个重要领域。28如,第二次世界大战期间,美国2500艘全焊接结构“自由轮”发生了一千多次破坏事故,其中238艘完全报废,19艘沉没。据统计,有24艘船舶甲板完全断裂。事故大多发生在美国-冰岛-英国这条北大西洋航线上,这里气温多在零度以下。原因是碳钢和低合金钢有一个脆性转变温度,尽管这些钢材在常温下有良好的韧性,但在低于室温的某一温度就会变脆(对缺口极为敏感)。使钢材变脆的温度称为脆性转变温度。29•由于机械失效学是一门交叉、边缘、综合的新兴学科,因此,它与多种学科和技术有关。基础学科与机械失效学相结合,形成不少边缘学科,例如,机械失效学与物理学交叉诞生了失效物理学;与力学的交叉形成了失效力学和损伤力学;数学与机械失效学相结合,促成了可靠性数学的问世。30机械失效学与许多应用学科、技术有密切的联系。“机械”是失效分析的对象,因此失效分析与机械学的专门知识有关“材料”是失效的载体,这样失效分析就自然地涉及材料科学和工程领域的各种知识,“环境”是失效发生的条件,所以失效分析就与环境科学知识有关“检测”是失效分析中信息的获取的重要途径和手段,显然失效分析就离不开宏观和微观的检测有关的知识“分析”是失效分析的核心,因此失效分析必将涉及逻辑学和数理统计有关的专门知识;31•失效分析不仅是一种“技术活动”,而且还是一种“管理活动”,因此,失效分析过程和它的成果反馈,又与管理科学的专门知识有关。对金属材料构件各种失效机理的认识都是通过对装备构件发生各种失效进行分析,提高了对客观规律的认识。失效、认识(失效分析)、提高、再失效、再认识、再提高,由此促进了科学技术的发展。32二.失效分析的意义2.提高装备及其构件的质量试验室内再好的模拟试验也不可能做到与装备构件服役条件完全相同。任何一次失效都可视为在实际使用条件下对装备构件质量检查所做的科学试验,失效越是意想不到的,越能给人们意想不到的启示,引导分析复杂多变的过程及影响因素下装备构件质量的偏差,找出被忽略的质量问题。由此从设计、材料、制造等各方面进行改进,便可提高装备及其构件的质量。33日本的机械产品一度曾以质量的低劣闻名于世,但是目前日本产品的质量在世界范围内已占有明显的优势。这与他们重视质量、重视失效分析是分不开的。例如,马路上行驶的丰田皇冠、顶级凌志,堪称“精致豪华”,这是日本在30多年前就着手系统地分析世界各国汽车构件失效情况,着重研究失效原因及改进措施的结果。(最近日本丰田汽车因为质量问题被召回的不少。)34二.失效分析的意义3.具有高经济效益和社会效益装备及构件失效带来直接及间接的经济损失,进行失效分析找出失效原因及防止措施,使同样的失效不再发生,这无疑就减少了损失,带来了经济效益;提高装备构件质量,使用寿命增加,维修费用降低及高的产品质量信誉等都带来经济效益;失效分析能分清责任,为仲裁和执法提供依据;失效分析揭示了规章、制度、法规及标准的不足,为其修改提供依据。科学技术是生产力,失效分析有力地推动科学技术的发展,在这个方面失效分析给整个社会带来的经济效益和社会效益是难以估计的。35(1)失效分析可减少和预防产品或装备同类失效现象重复发生,从而减少经济损失或提高产品质量。(2)失效是产品质量控制网发生偏差的反映,失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作,是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键技术环节。(3)失效分析可为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。(4)失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。(5)失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。36三.金属构件的失效形式及失效原因1.金属构件的失效形式弹性变形失效当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时,就出现弹性变形失效。塑性变形失效当受载荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时,就出现塑性变形失效。37三.金属构件的失效形式及失效原因•韧性断裂失效构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂失效。•脆性断裂失效构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。38三.金属构件的失效形式及失效原因•疲劳断裂失效:构件在交变载荷作用下,经过一定的周期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。•腐蚀失效:腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应,使材料发生损坏或变质的现象,构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式,有均匀遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀,局部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。39三.金属构件的失效形式及失效原因•磨损失效当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时,由于物理和化学的作用,材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程,称为磨损。由磨损而导致构件功能丧失,称为磨损失效。磨损有多种形式,其中常见粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微损、腐蚀磨损、疲劳磨损等40三.金属构件的失效形式及失效原因2引起失效的原因•失效的原因是多方面的,大体上认为是由设计不合理、•选材不当及材料缺陷、•制造工艺不合理、•使用操作和维修不当等四方面引起的,可以是单方面的原因,也可能是交错影响,要具体分析。41三.金属
本文标题:失效分析
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