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1、 材料失效分析材料失效分析 Failure Analysis of Materials Failure Analysis of Materials 主讲教师：主讲教师： 杨振国杨振国 单单 位：位： 材料科学系材料科学系 办办 公公 室：室： 先进材料楼先进材料楼 407室室 联系方式：联系方式： 65642523（O） 复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系 2015.22015.2 2 教学团队：杨振国、方晓生、蒋益明、江素华教学团队：杨振国、方晓生、蒋益明、江素华 课程类型：专业选修课课程类型：专业选修课 （36学时）学时） 课程代码：课程代码： MATE130025.01 课程内容：课
2、程内容： 理论理论 (18学时学时) + 应用应用 (18学时学时) 课程网址：课程网址： http:/ 成绩评定：成绩评定：平时成绩平时成绩 + 读书报告读书报告 + PPT介绍介绍 (30) (30) （40%） 课程基本信息课程基本信息 1.1 失效分析概述失效分析概述 1.2 失效分析的基本概念失效分析的基本概念 1.3 失效分析的基本内容失效分析的基本内容 1.4 失效分析学科的发展历程失效分析学科的发展历程 1.5 失效分析工作者的应有素质失效分析工作者的应有素质 第一章第一章 材料失效分析概论材料失效分析概论 1.1.11.1.1 基本状况基本状况 失效问题时时刻刻在发生，遍及各
3、行各业。失效问题时时刻刻在发生，遍及各行各业。 据估算，据估算，各国每年因失效造成的各国每年因失效造成的经济经济损失损失占占该国该国 GDPGDP的的 24%24%。我国我国20122012年、年、20132013年、年、20142014年的年的 GDPGDP分别为分别为519322519322亿元亿元、568845亿元，亿元， 636463636463亿亿 元，以元，以4% 4% 估算，其估算，其损失损失值分别高达值分别高达 2077220772亿元亿元 (2012) (2012) 、22753 22753 亿元亿元 (2013)(2013) 、2545125451亿元亿元 (2014) (
4、2014) 。 因因此，失效分析的社会效益重大，经济效益巨大。此，失效分析的社会效益重大，经济效益巨大。 1.1.21.1.2 主要特点主要特点 失效分析是失效分析是一门面向工程实际、面向未来的一门面向工程实际、面向未来的学科学科， 它它有有二个基本二个基本特点：特点： (1) (1) 综合性综合性：涉及许多学科和技术门类涉及许多学科和技术门类，学科交叉，学科交叉； (2) (2) 经济性经济性：与国民经济发展紧密与国民经济发展紧密相联相联，应用广泛。应用广泛。 1.1 失效分析概述失效分析概述 1.1.3 1.1.3 基本作用基本作用 失效分析是失效分析是综合运综合运用材料用材料基础知识和其
5、他分析方基础知识和其他分析方 法法开展事故开展事故调查与分析的调查与分析的，因而是一门发展中因而是一门发展中的的交叉交叉 性的性的综合性学科综合性学科。它的。它的作用作用和意义主要有和意义主要有： （1 1）防止防止或或减少减少同类同类事故的再发生事故的再发生，保障，保障社会社会稳定；稳定； （2 2）明确事故的责任，明确事故的责任，维护用户的正当维护用户的正当权益权益； （3 3）吸取经验教训，提高产品质量吸取经验教训，提高产品质量和可靠性；和可靠性； （4 4）通过逆向工程分析，）通过逆向工程分析，为经济索赔提供为经济索赔提供技术技术依据；依据； （5 5）促进材料促进材料科学的科学的技术
6、进步，技术进步，为设计开发为设计开发新材料和新材料和 改进已有材料的改进已有材料的性能性能从从理论理论上指明方向上指明方向。 1.1 失效分析概况失效分析概况 1.2.1 1.2.1 失效的定义失效的定义 新华词典新华词典的定义的定义* * 丧失功效或效力。丧失功效或效力。 * *新华词典新华词典: p757, 1982: p757, 1982 国标国标GB3187GB3187- -8282可靠性基本名词术语及定义可靠性基本名词术语及定义 的定义的定义 失效失效 ：产品丧失规定的功能，对可修复产品通：产品丧失规定的功能，对可修复产品通 常称为故障。常称为故障。 材料大辞典材料大辞典的定义的定义
7、* * 失效，又称复合材料的破坏，指复合材料在经失效，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、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。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失效分析的基本概念 美国金属学会手册美国金属学会手册的定义的定义* * 按照按照 ASM Handbook 的定义，服役的任何的定义，服役的任何 结构件出现以下三种状态之一时即为失效：
8、结构件出现以下三种状态之一时即为失效： （1 1）完全不能修复时；）完全不能修复时； （2 2）仍可以使用，但不能满意地达到规定的功能时；）仍可以使用，但不能满意地达到规定的功能时； （3 3）受到严重损伤而不能继续安全可靠地使用时。）受到严重损伤而不能继续安全可靠地使用时。 * ASM Handbook, Vol.11: Failure Analysis and Prevention (10th Ed.), ASM International, 2002, p2884 1.2 失效分析的基本概念失效分析的基本概念 失效的新定义失效的新定义* * 失效失效 (failure) (failure
9、) 是指产品因是指产品因微观结构或外观形态微观结构或外观形态 发生变化而不能满意地达到规定的功能。发生变化而不能满意地达到规定的功能。 根据其严重性，失效可称为事件根据其严重性，失效可称为事件 (incident)(incident)、 事故事故(accident) (accident) 或或 故障故障 (fault)(fault)。 原子的电子结构原子的电子结构 原子间相互作用原子间相互作用 原子团分布方式原子团分布方式 显微组织形貌显微组织形貌 微观微观 结构结构 局部腐蚀局部腐蚀 局部磨损局部磨损 变形畸变变形畸变 表面吸附表面吸附 外观外观形态形态 1.2 失效分析的基本概念失效分析的
10、基本概念 * * 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年 全国失效分析学术会议专辑（大会特邀报告）, 2013, 4949 (S2): 1-3 1 1.2. 2 .2. 2 失效分析的内容失效分析的内容 1.2 失效分析的基本概念失效分析的基本概念 失效分析是为失效的构件查明原因并采取预防措失效分析是为失效的构件查明原因并采取预防措施所进行的一切技术活动。施所进行的一切技术活动。它相当于它相当于材料诊断学材料诊断学，运，运用用各种分析仪器和方法，各种分析仪器和方法，对断口（缺陷）进行对断口（缺陷）进行综合分综合分析，析， 查明失效原因，并采取措施防止同类失效的
11、再发查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再发生，故一般涉及五项内容：生，故一般涉及五项内容： (1) (1) 判定判定失效模式失效模式 （failure modefailure mode） (2) (2) 界定界定失效失效缺陷缺陷 （failure defectfailure defect） (3) (3) 鉴定鉴定失效机理失效机理 （failure mechanismfailure mechanism） (4) (4) 确定确定失效失效起因起因 （failure causefailure cause） (5) (5) 提出提出解决解决对策对策 （countermeasurecounterm
12、easure） 失效模式是指构件失效后的外观表现形式，即可观失效模式是指构件失效后的外观表现形式，即可观 察到的、可测量的失效的宏观特征。比如：脆性断裂、察到的、可测量的失效的宏观特征。比如：脆性断裂、 疲劳开裂疲劳开裂 、接触磨损等。、接触磨损等。 根据构件失效的外观特征，失效模式应有根据构件失效的外观特征，失效模式应有五种：五种： (1) (1) 断裂断裂 (fracture)(fracture) (2) (2) 腐蚀腐蚀 (corrosion)(corrosion) (3) (3) 磨损磨损 (wear)(wear) (4) (4) 畸变畸变 (distortion)(distortio
13、n) (5) (5) 衰减衰减 (attenuation): (attenuation): 微结构随时间、环境等因素渐变劣化微结构随时间、环境等因素渐变劣化 失效模式失效模式 1.2.3 1.2.3 失效分析的相互关系失效分析的相互关系 失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、失效机失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、失效机 理与失效起因之间的相互关系。理与失效起因之间的相互关系。 1.2 失效分析的基本概念失效分析的基本概念 失效缺陷失效缺陷 失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。 比如：裂纹、腐蚀坑、磨损带、分层等。比如：裂纹、腐蚀坑、磨损带、
14、分层等。 失效机理失效机理 失效机理是致使构件失效所发生的物理、化学失效机理是致使构件失效所发生的物理、化学 的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀模式的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀模式 下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。 失效起因失效起因 失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。 比如：超载、疲劳载荷、电极电位差、微动摩擦等。比如：超载、疲劳载荷、电极电位差、微动摩擦等。 1.2 失效分析的基本概念失效分析的基本概念 泰坦尼克号的失效模式、机理、缺陷与起因的关系泰坦尼克号的失效模式、机理、缺
15、陷与起因的关系 泰坦尼克号是泰坦尼克号是2020世纪初世纪初世界上世界上最大的豪华最大的豪华游游轮轮。 它它长长260m260m、宽宽28m28m、高高51m51m、吨位、吨位46328t46328t，可，可载载 客客30003000多人，总多人，总耗资耗资75007500万英镑万英镑。船体结构的设计采船体结构的设计采 用了双壳层和十六个相互隔离的水密舱等安全措施，用了双壳层和十六个相互隔离的水密舱等安全措施，因因 而当时被认为是一艘而当时被认为是一艘“永不沉没的永不沉没的”巨轮。巨轮。 它的它的处女航处女航是在是在19121912年年4 4月月1010日日从从英国英国南安普顿南安普顿出出 发前往发前往纽约纽约的，航的，航速速为为2222节，节，但但4 4月月1414日晚日晚11
