第一章-失效与失效分析的概念

1零件的失效及分析2018年4月2第一章失效及失效分析的概念3本章内容摘要失效及失效分析的定义；失效分析的意义和重要性；机械产品失效的分类；失效分析的工作内容；失效分析与其他学科、技术间的关系。4前言失效与失效分析：是一门涉及面广、实用性强的实用基础技术。随着科学技术日益进步，工程失效事件不断发生，失效分析技术也不断发展，使用的手段也不断完善，人们对失效的认识也越来越丰富、充实，工程界已将它列为一门学科即机械失效学（失效学）。机械失效学：研究机械产品（装备）的失效理论、失效诊断技术和失效预测预防方法及其应用一门学科。5失效学：是一门边缘交叉的、综合的新兴学科，它与多种学科、技术相关，与基础学科相结合，形成不少边缘学科。如：失效学＋物理学－－→失效物理学；失效学＋力学－－→失效力学(损伤力学）；失效学＋数学－－→可靠性数学等。失效分析：是一门跨学科的综合性技术，它涉及的知识广泛，与许多应用学科和技术密切联系；它是以机械产品为对象，故也称为：机械产品的失效分析。6机械产品（机械零件、设备、装置）的失效分析，在工业生产和工程建设中具有重要的实用价值。机械产品由于在材料选用、设计、制造、使用、维修及人为操作等原因常发生失效，轻则须更换零件、重则导致严重事故，造成人员伤亡和经济上重大损失。历史上曾有如：列车因车轴、车轮的断裂而出轨或倾覆；大型轮船因船体断裂而沉没；大型压力容器、锅炉的爆炸；大型电站转子的飞裂；桥梁的断裂；飞机因发动机、机翼等零件的失效而坠毁；海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没。7特别是：大量通用的、关键的、基础零、部件地大量早期失效，严重影响了机械产品的质量和寿命，因此需要有更多的人从事失效分析工作，重视和搞好产品的失效分析，这对提高机械产品的质量，将起深远的影响。本选修课目的：普及失效分析的基础知识，提高材料技术人员的失效分析水平。通过学习1.了解失效分析的基本概念；2.掌握失效分析的思路与方法；3.熟悉典型机械产品失效的规律与特点；为今后顺利地进行失效分析工作打下一定的基础。8§1-1失效及失效分析的定义意义和重要性9一、失效及失效分析的定义1.失效（Failure)机械零件、设备、装备或系统－统称为机械产品。任何机械产品都为完成某种规定的功能而设计的，也即各种机械产品都具有一定的功能。如：轴类、弹簧等零件－－传递力、能量或承受载荷等；发电机－－使热能或其他形式的能量转变为电能；汽车－－主要需安全、高速、低油耗、少污染、舒适等。10一、失效及失效分析的定义机械产品在服役中，因应力、时间、温度、介质和操作失误等因素的作用，常有失去其原有功能的现象。机械产品丧失其规定的功能的现象－－称为失效。“失效”是一个技术名词，曾被称“事故”、“故障”等。1980年12月，由中国机械工程学会机械产品失效分析委员会会议上正式统称为“失效”。11失效的三种形式国外资料失效的定义：即失效有以下三种情况。1.完全不能工作（完全丧失功能）如：发动机中曲轴、连杆的断裂；涡轮机叶片突然断裂；压力容器壳体开裂等；2.虽仍能工作，但不能完全规定的功能（功能衰退）如：发动机气缸套、活塞环严重磨损，间隙增大，发动机功能降低。3.能工作和完成规定功能，但不能确保安全，应更换维修。如：经长期高温运行的压力容器及其管道，内部组织发生变化，继续使用存在开裂危险；等。12“失效”与“故障”“失效”与“故障”：二个名词概念不同、但又紧密相关。“系统故障状态”：因个别或少数几个零部件失效，导致机器、装备或系统无法正常工作，失去应有的功能，此系统就处于故障状态。系统故障状态：指局部的、可修复的、暂时的失效。若经更换或修复已失效零、部件，系统就能恢复正常；若失效零、部件过多或损伤过重而不能修复或不宜修复，则该系统完全失效报废。13“失效”与“事故”“失效”与“事故”：因个别零件失效而引发系统中其他零、部件或子系统发生快速破坏，以致系统发生损失严重的整体失效，即“事故”。“事故”－－强调的是后果，即造成的损失和危害；“失效”－－强调的是机械产品本身的功能状态。“失效”和“事故”：两者有一定因果关系，但并无必然的联系。“事故”：可由“失效”引起的，也可其他原因造成的。14“失效”与“废品”“失效”与“废品”：两名词含义不同。“废品”：指不符合技术规范、标准或图纸要求、而又不宜返修的产品或零件。“废品”：不具基本功能、尚未投入使用的零件或产品，故就不存在丧失功能的问题。但漏检的废品，可能在使用中产生失效。15失效的随机性：早期适应性运行及晚期耗损达到寿命而失效，属可预料正常失效。在运行期间，在何时、以何方式发生失效是随机事件，还暂时无法预料。断裂失效与非断裂失效：机械零、部件产生断裂是失效－－断裂失效；而因磨损、变形或腐蚀使零部件尺寸变化等也称失效－－非断裂失效。断裂失效的灾难性：机械产品的失效是经常发生的，突如其来的断裂失效带来灾难性破坏，给生命和财产造成巨大损失。这在国内外工业发展史上是屡见不鲜的。16重大失效案例1944年10月20日，美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气储储藏基地，一台直径21.3m，高12.8m的圆筒形储气罐，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，另一台内径为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。1979年9月7日，中国某化工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。17重大失效案例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一家化工厂，因安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量毒气，造成2500人死亡。该市50万居民中有20万受到毒气侵害，其中2万人需住院治疗。后来美国公司赔偿150亿美元的损失费。1980年3月27日，北海的石油钻探船AlexanderKiellang号，由于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损失达几千万美元。18重大失效案例1986年1月28日11时39分12秒（美国东部时间），美国“挑战者”号航天飞机，从佛罗里达州肯尼迪航天中心，第10次发射升空后73秒钟，到10英里上空，因助推火箭发生故障，突然爆炸，航天飞机被炸成碎片坠入大西洋。7名宇航员遇难，直接损失12亿美元，停飞近3年，为人类航天史上最严重一次载人航天事故。19失效分析1.失效分析（FailureAnalgsis)机器零件的失效特别是断裂失效，危及人员生命及财产安全。为防止失效现象重复发生，提高产品质量，早在20世纪初，就开始对零、构件失效现象进行系统分析研究。随着工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器测试技术的进步，在对大量工程失效现象的行为规律与机理研究的基础上，逐渐形成了一门新的分支学科，即失效学，也称失效分析。失效分析：就是分析失效的原因，研究采取补救和预防措施的技术活动和管理活动。20失效分析的目的：不仅要分析和判断失效原因，更重要找出有效的预防和补救措施，以防止同类事故重复发生，它是提高产品的可靠性、寿命的一项积极的工作。即为“坏事变为好事”。失效分析的重点：1.分析失效的原因－－即所谓“失效诊断”。2.采取相应预防和补救措施－－即“失效对策”。失效分析的依据：1.机械产品的性能参数；2.机械零件、设备和系统的可靠度分析（数理统计）资料；3.机械零、部件的失效残骸。21二、失效分析的意义和重要性1）失效分析：要找出失效原因，采取有效措施，使同类失效事故不再重复发生，可避免极大的经济损失和人员伤亡。2）促进科学技术的发展；①19世纪工业革命，蒸汽机采用，促进铁路运输，但连续发生多起因火车轴断裂，列车出轨事故。大量断轴分析和试验研究表明：裂纹均从轮座内缘尖角处开始。认识到：金属在交变应力下，即使应力远低于金属的抗拉强度，经一定循环积累，也会发生断裂，即“疲劳”。“疲劳断裂”成为金属材料强度学中的一个重要领域，设计疲劳试验机，确立“疲劳极限”的概念，提出抗疲劳设计方法。22②二战期间，美国有4694艘焊接结构“自由轮”，有1289艘发生不同程度失效。其中：238艘断成两截或严重损坏而报废；19艘沉没；24艘甲板完全断裂。事故多发在美国－冰岛－英国的北大西洋低温寒冷航线上。23战后开展大量失效原因的分析研究，认识到：钢的“缺口敏感性”及“钢的低温脆化”。即碳钢和低合金钢存在脆性转变温度，在低于某一温度就会变脆（对缺口极为敏感）。因当时美国船舶技术标准没有对船体钢的“缺口敏感性”和“低温韧性”提出要求。由此提出了船体钢脆性转变温度的判据。钢的低温韧性转变特性：可很好解释焊接结构“自由轮”、钢制桥梁、压力容器、管道等在低温下工作的失效。24③40～50年代，美国发生数起电站设备的飞裂及英国皇家空军飞机坠毁事故。失效分析表明：钢中的氢（H）及夹杂物的有害作用。奠定了钢的氢脆基本理论，为此发展了碱性和真空冶炼技术，促使冶金技术的发展。25④大型化工设备不锈钢零、部件断裂失效，受到关注。失效分析认识了金属在其敏感介质系统中，存在各类应力腐蚀开裂行为，并研究其产生机理。如：1965～1966年间，美国登月计划，用Ti-6Al-4V钛合金制成压力容器曾发生多起应力腐蚀断裂。此外，锅炉钢“碱脆”，黄铜弹壳的“季裂”；镁合金飞机构件存放期间的开裂；核反应堆冷却系统奥氏体不锈钢的开裂等均为应力腐蚀造成。263）促进机械产品质量和安全可靠性的提高：零件失效：与设计、选材、制造、检验、安装等过程相关；通过失效分析，不断地将失效原因、预防措施等反馈到设计有关部门，进行相应改进，促进产品质量和可靠性提高。A.向设计部门反馈：改进产品设计，完善技术规范；B.向制造部门反馈：改进生产工艺，创制和推广新工艺。C.向材料部门反馈：合理化选材，开发和研制新材料；D.向用户反馈，健全和完善使用、维修制度。失效分析：提高机械产品质量、创建名牌产品的必由之路。274）失效分析是制订或修改技术标准提供的依据：如：美国制造“自由轮”的船用钢板，当时未提出韧性要求；脆性断裂失效分析结果规定：对船用钢板提出韧性要求：15英尺•磅。而英国在此基础上，收集大量试验数据，规定了在工作温度下，船用钢板的韧性：15～35英尺•磅。5）失效分析也是仲裁失效事故、开展技术保险业务及对外贸易中索赔的重要依据。因此，失效分析在国民经济、科技发展中具有重要作用，在世界各国均受高度重视，已成为一门新兴的学科。28§1-2机械产品失效的分类29失效的分类机械零部件（机件）的失效：机械零件因力（能量）、温度、介质等物理和化学的作用，而逐渐发生尺寸、形状、状态或性能的变化，并以特定的表现形式丧失其规定的功能。特定的表现形式：即各种“失效形式”或“失效类型”。显然，不同物理和（或）化学过程对应着不同的失效形式。零件失效形式：受多种因素影响，其失效形式也很复杂。为揭示同类失效形式的本质，比较和鉴别各类失效形式，对各种失效形式进行科学的分类是必要的。30失效的分类方法失效的分类方法：也是多种多样的。为便于失效的研究、分析和事后处理，失效按以下三种方法分类：1、从技术观点分类：便于对失效进行机理研究、分析诊断和采取预防对策。2、从质量管理观点分类：便于管理和反馈；3、从经济法观点分类：便于事后处理。本书将主要讨论从技术观点的分类。31一、从失效分析技术观点分类一、从“失效分析技术”观点分类：主要是按失效模式和失效机理分类。失效模式：指失效的外在宏观表现形式和规律。失效机理：指引起失效的微观的物理化学变化过程和本质。两者相结合的分类：可实现宏观与微观相结合、由表及里地揭示失效物理本质和过程，为重要分类方法。按失效的宏观特征，可将机械零件失效分为：断裂失效、非断裂失效两大类或过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效三类。（一级形式）32（一）过