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1、10/18/2018,1,材料失效分析 Materials failure analysis,主讲: 刘先兰 2014.1,Copyright 1996-98 Dale Carnegie & Associates, Inc.,10/18/2018,10/18/2018,2,绪 论,一、材料失效分析的基本概念 二、材料失效分析的发展概况 三、失效分析人员的任务和要求 四、材料失效分析的主要内容,10/18/2018,10/18/2018,3,失效案例之一德国ICE884次高速列车脱轨事故,10/18/2018,4,时间：1998年6月3日。地点：德国埃舍德小镇。 事件经过：慕尼黑开往汉堡的德国I
2、CE884 次高速列车在埃舍德发生列车脱轨行车事故。列车由2 辆动车和12 辆拖车组成, 12 辆拖车全部脱轨，有101人死亡，100多人受伤。事故的列车为德国第一代ICEI 型高速列车, 德国共有这种列车60列。联邦铁路局局长在国会听证会上公布了对事故发生过程的初步调查结果：在列车运行距公路跨线桥约6 km 时，第1 节拖车的第3轮对的轮箍发生破裂，列车继续以20 km /h 的速度运行, 轮箍断裂并拥塞在高速运转的轮对中，发生剧烈的摩擦 。 在距公路桥约300m处, 已断裂的轮箍钩住了埃舍德车站的一组道岔, 使拖车跳起、脱轨并与动车脱钩，脱轨的车轮则落在相邻的线路上，列车继续运行约120
3、m 后，脱轨的轮被邻线的另一组道岔改变了方向，突然猛烈地甩向右侧，第3 节拖车尾部与桥墩猛烈冲撞使跨线桥部分坍塌坠落。驶过跨线桥的头部动车经紧急制动后运行约2 k m 停车, 没有脱轨; 与头车分离的第1 3 节拖车脱轨后停在桥后约30m 处; 第4-5节拖车被坍塌的桥梁砸毁, 后部第6 12 节拖车以巨大的惯性冲撞挤压在一起, 尾部动车几乎未受损坏。该列车车轮系橡胶弹性车轮, 轮箍是轧制的无缝钢圈, 通过热效应热压在轮心上, 轮心是铸钢轮体, 轮箍与轮心间有一层橡胶体。轮箍轧制时若残留气泡或矿碴, 在高负荷动力作用下, 就可能开裂; 或由于轮箍材料老化产生“ 疲劳断裂”所致。,10/18/2
4、018,失效案例之一德国ICE884次高速列车脱轨事故,10/18/2018,5,钢脆性和工程结构脆性断裂：桥梁、船舶、压力窗口、管道、球罐、热电站发电设备的汽轮机和发电机转子以及其他设备曾发生脆性断裂事故。,失效案例之二二战时期美国焊接“自由轮”断裂,10/18/2018,6,在焊接结构断裂中，船舶的脆性断裂事故颇受人们注意。在第二次世界大战期间，美国的焊接“自由轮”在使用过程中发生大量的破坏事故，其中238艘向完全报废、19艘船沉没。船舶损坏有完全断裂或部分断裂两种情况，据统计有24艘船舶脆断成两半的情况。 Shank等人对船舶的脆性断裂事故作了详细调查，并获得了大量数据。认为造成最主要的
5、原因是钢的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆断是在气温较低的情况下发生的。对策：美国造船用钢板含碳量由0.23%降低到0.21%，含锰量由0.75%增加到0.95%，以使其延性脆性转换温度由0降低到零下14。二战后的1956年英国最大油轮“世界协和”号，在爱尔兰海的一次大风暴中轮船破裂成两段，当时海上温度为10.5。后经调查表明：裂纹发生在船腹中部，裂纹由船底开始沿船的两侧向上扩展，并穿过甲板。裂纹是不连续的，而是由若干单独的裂纹所组成。总结船舶脆性断裂原因大致可归纳为：钢板低温脆性所引起;脆性断裂是由应力集中处开始;钢板具有较大的缺口敏感性。,10/18/2018,10/18/2018
6、,7,嫦娥三号探测器系统副总设计师张玉花介绍，在结构分系统方面有三大套机构，一套机构是帆板，主要负责玉兔号在月夜的收拢和展开以及再唤醒。还有一套是桅杆机构，它承担着一个天线四个相机。除此之外还有一个机构在车体的正前方，是位于前方的机械臂。目前还不太知道问题究竟出在哪里，但是好消息是，玉兔号终于熬过了零下180摄氏度的月夜，而且已经醒过来了。昨晚玉兔号的师傅一直在紧急开会，研究恢复的方案。探月工程新闻发言人裴照宇2.14晚9点半接受记者的采访。,案例之三原因待查,10/18/2018,8,1、失效,一. 材料失效分析的基本概念,零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能
7、圆满地完成指定的功能。 如前所述。,失效分析则是对设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，找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。 1) 判断失效性质：畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。 2) 分析失效原因：设计、材料、加工、装配、使用、维护。 3) 研究失效的预防措施：修改设计、更换材料、改进加工工艺、合理装配、正确使用、及时维护等。,2、失效分析,10/18/2018,10/18/2018,9,3、 失效形式,10/18/2018,10/18/2018,10,4、 失效原因,设计不合理 选材不当及材料缺陷 制造工艺不合理 使用操作不当和维护不当,5、失效
8、分析技术,金相分析技术 断口分析技术 力学性能测试技术 理化分析测试技术 晶体结构分析技术 无损检测技术 应力分析技术等,10/18/2018,10/18/2018,11,6、材料失效及其模拟,裂纹形成裂纹扩展裂纹进一步扩展完全断裂,在ABAQUS里，模拟材料失效主要有两种方法：一是使用已有的失效材料模型；另一种方法是使用VUMAT子程序中定义一个状态变量来表征材料是否失效。,10/18/2018,10/18/2018,12,失 效 分 析,7、与基础学科的关系,10/18/2018,10/18/2018,13,8、与应用学科结合,失效机械设计学,失 效 材 料 学,失效机械制造学,失 效 环
9、 境 学,失 效 方 法 学,失 效 分 析,10/18/2018,10/18/2018,14,二、失效分析发展概况,1. 发展历程,现代物理检测技术 集断裂特征分析、力学分析、结构分析、 材料抗力分析和可靠性分析于一体 全国性失效分析中心及失效分析学会成立 出现大量的失效分析专著和论文集,宏观检测和光学金相观测分析,现象描述和凭经验分析,10/18/2018,10/18/2018,15,2. 国内外失效分析现状,1) 中国, 1970后为失效分析的新时期 成立了中央部委失效分析研究中心、各类理化实验室及试验研究中心、失效分析委员会 重大失效事故： 国家组织攻关组或分析小组一般失效事故： 单位
10、委托专家分析 常举办全国性和地方性的失效分析学术活动工程技术刊物开辟了失效分析专栏 失效分析、预测及预防知识的逐渐普及：出版了相关的教材、专著及技术丛书，高校有关专业增设失效分析课程,10/18/2018,10/18/2018,16,钟群鹏-失效分析基础上海交大-金属断口分析褚武扬-断裂与环境断裂刘正义-机械装备失效分析图谱陈伯蠡-焊接工程欠缺分析与对策吴望周-化工装备断裂失效分析基础机械工业委员会-失效分析培训教材机械工程学会材料分会-机械产品失效分析丛书胡世炎-破断故障金相分析及机械失效分析手册张 栋-机械失效的实用分析及机械失效的痕迹分析,10/18/2018,10/18/2018,17
11、,邓文龙-金属构件断裂分析与防护孙 智-失效分-基础与应用窦照英-承压设备失效分析与处理 化工设备事故分析与预防及应急处理技术实用手册 国外石油化工事故案例 化工事故案例分析与防范 石油化工企业事故案例剖析 锅炉压力容器爆炸事故案例剖析 化工爆炸事故案例 化工设备突发事故处理与分析预防技术规范实务全书 安全生产事故典型案例评析全集,10/18/2018,10/18/2018,18,10/18/2018,2)国外如美国,原子能、宇航部门：失效分析主要由国家研究机构承担民用工业部门：失效分析主要由一些公司承担失效分析与保险公司和法院关系最密切，常以官司结案 美国金属学会(ASM):How Comp
12、onents Fail(1966)美国机械工程师学会(ASME) 、美国材料与试验学会(ASTM) ASTM 1975年在金属手册中增设加“失效分析与预防” “Failure Analysis and Prevention” Jack A. Colins 1981年编著机械设计中的材料失效教材， Failure of Materials in Mechanical Design,10/18/2018,19,10/18/2018,19,1） 促进科学技术的发展,例1：19世纪中期，火车轴频发断裂，原因是疲劳。疲劳的研究促进了断裂力学和材料强度学的发展。,例2：二战期间，美国焊接结构“自由轮”在美
13、国-冰岛-英国航线上发生千余次断裂破坏事故，原因是碳钢和低合金钢在低温出现脆性。低温脆性的研究促进了低温材料的发展。,3. 失效分析意义,10/18/2018,20,10/18/2018,20,2）提高构件、装备的质量,例1：日本问题轿车的召回制,零件内在质量大大提高,3. 提高经济/社会效益,例2：20世纪20年代,奥氏体不锈钢的腐蚀失效,提出晶间贫铬腐蚀选择性腐蚀沉淀相腐蚀理论,开发不锈钢新钢种,10/18/2018,21,三、工作人员的任务和素质要求, 寻找失效构件及相关实物证据 宏观分析和推理，初步确定失效类型 必要的微观分析、理化检验，再查找失效原因 综合确定整个失效过程及其失效原因
14、间的联系 必要时模拟试验，验证因果分析的正确性,1、 主要任务,10/18/2018,10/18/2018,22, 彻底的求实精神和严谨的工作态度 敏锐的观察力和熟练的分析技术 正确的失效分析思路和良好的判断能力 善于学习 扎实的专业基础和宽广的知识面,2、 应备素质,10/18/2018,10/18/2018,23,四、材料失效分析的内容,1、教材庄东汉主编 材料失效分析华东理工大学出版社,10/18/2018,10/18/2018,24,2、主要内容,10/18/2018,10/18/2018,25,汽车离合器壳体开裂失效分析,失效分析案例,10/18/2018,10/18/2018,26
15、,汽车离合器壳体,10/18/2018,10/18/2018,27,1、粗步分析离合器壳体由铝合金铸造而成。一个壳体破断为两部分，一个壳体一侧的裂纹长220mm，另一侧有一条15mm长的裂纹。裂纹的起始位置均在壳体侧面下方的交界处。壳体侧面的内表面呈135和90夹角，无明显的过渡园角。裂纹扩展方向与该处所受拉应力的方向垂直。 2、现场调研离合器安装情况：离合器左边与发动机相联，右边与变速器相联。离合器壳体受到较大弯矩作用。发动机工作时, 壳体受到强烈振动。 壳体下部受到瞬时大的拉应力作用，在应力集中处容易产生裂纹造成开裂或破断。 3、显微镜下观察断裂面有放射状撕裂棱。断面上有许多闪光的小点，同
16、时发现有园形、椭园形的空洞。最大的一个椭园形孔洞尺寸为0.6mm1.2mm。这些空洞的内表面呈熔融金属凝固态，为铸造缺陷气孔。,分析步骤,10/18/2018,10/18/2018,28,4、显微分析 观察裂纹形态及扩展方向。裂纹端部位于壳体两侧面内表面相交处，裂纹上及其附近有大大小小的气孔，裂纹垂直于壳体边缘扩展。,10/18/2018,10/18/2018,29,金相显微组织由白色的a固溶体+灰色的条状及小块状的Si晶体+黑色细针状Al-Si-Fe化合物组成。黑色针状Al-Si-Fe化合物为有害相，导致壳体材料的韧性下降。裂纹穿过气孔，并沿针状Al-Si-Fe化合物界面扩展。,10/18/2018,10/18/2018,30,
