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1、,金属构件失效分析,第一章 概述,第二章 失效分析基础知识,第三章 金属构件常见失效形式及其判断,第四章 失效分析的思路、程序和基本技能,第五章 失效分析实例,1 概 述,1.1 金属构件的失效及失效分析 1、失效 金属装备及其构件在使用过程中，由于压力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用，丧失其规定功能的现象。 金属构件的失效大致可分为三种类型：完全丧失其规定的功能；部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆满地完成规定的任务；失去安全工作能力的装备，如火车或汽车刹车失灵等。,例子： 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725km2
2、，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。 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。,2011年11月19日泰安市新泰化工厂在冷凝器检修过程中发生一起爆燃事故，致使14人死亡，5人受伤。,黄岛输油管道原油泄漏爆炸，2013年11月22日，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失7.5亿元。 经调查认定，事故发生的直接原因是：输油管道与
3、排水暗渠交汇处管道腐蚀减薄、管道破裂、原油泄漏，流入排水暗渠及反冲到路面。原油泄漏后，现场处置人员采用液压破碎锤在暗渠盖板上打孔破碎，产生撞击火花，引发暗渠内油气爆炸。管理上的原因是：中石化集团公司及下属企业安全生产主体责任不落实，隐患排查治理不彻底，现场应急处置措施不当。,2、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。 3、失效分析目的 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
4、义。,1.2失效分析的意义,1、促进科学技术的发展 失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到失效的原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而且能更进一步完善装备构件的功能，并促进与之相关的各项工作的改进。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。,2、提高装备及其构件的质量 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。,3、具有高经济效益和社会效益,1.3金属构件的失效形式及失效原因,失效形式是构件失效过程的表观特征，是可以观察的。而失效原因是导致构件失效的物理化学机制，是需要通过失效过程调查研究及对失效件的宏观、微观分
5、析去诊断、发现和论证的。 1、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 当受裁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。 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。 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投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
6、生的腐蚀使其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。,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。,2、引起失效的原因 设计不合理 设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当、安全系数过小(追求轻巧和高速度)及配合不合适等都会导致构件及装备失效。构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理。 分析设计原因引起失效尤其要注意：对复杂构件未作可靠的应力计算；或对构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小未作考虑；甚至于对工作载荷确定和应力分析准确的构件来
7、说，如果只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视了脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效，都会在设计上造成严重的错误。,选材不当及材料缺陷 金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺性能原则及经济性原则。 金属装备及其构件所用原材料一般经冶炼、轧制、锻造或铸造，在这些原材料制造过程中所造成的缺陷往往也会导致早起失效。,制造工艺不合理 金属装备及其构件往往要经过机加工(车、铣、刨、磨、钻等)、冷热成形(冲、压、卷、弯等)、焊接、装配等制造工艺过程。若工艺规范制订欠合理，则金属设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。,使用操作不当和维修不当
8、使用操作不当是金属装备失效的重要原因之一，如违章操作，超载、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为。某时期统计260次压力容器和锅炉事故中，操作事故194次，占74.5。 装备是要进行定期维修和保养的，如对装备的检查、检修和更换不及时或没有采取适当的修理、防护措施，也会引起装备早期失效。,1.4 失效分析与其他学科的关系,1.5 失效分析的历史发展状况,一般把失效分析的发展历史分为三个阶段，即失效分析的初级阶段、近代失效分析阶段及现代失效分析阶段。 第一次世界工业革命前是失效分析的初级阶段，失效分析受到真正重视是从以蒸汽动力和大机器生产
9、为代表的世界工业革命开始，此为失效分析的第二阶段，此阶段一直延至20世纪50年代末，又称为近代失效分析阶段。20世纪50年代以后，随着电子行业的兴起，微观观测仪器的出现，特别是分辨率高、放大倍率大、景深长的透射及扫描电子显微镜的问世，使失效分析扩大了视野，洞穿失效的微观机制，随后大量现代物理测试技术的应用，失效分析现处在第三阶段的历史发展时期，这是现代失效分析阶段。,1.6 失效分析工作者的主要任务和应具备的基本素质,1、主要任务 深入装备失效现场、广泛收集、调查失效信息，寻找失效构件及相关实物证据。 对失效构件进行全面深入的宏观分析，通过种类认定推理，初步确定失效件的失效类型。 对失效件及其
10、相关证物展开必要的微观分析、理化检验，进一步查找失效的原因。 通过归纳、演绎、类比、假设、选择性推理，建立整个失效过程及其失效原因之间的联系，进行综合性分析。 在可能的情况下，对重大的失效事件进行模拟试验，验证因果分析的正确性。,2、应具备的基本素质 彻底的求实精神和严谨的工作态度，在任何情况下都要坚持实事求是，认真负责，勇于坚持真理，修正错误。 敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于利用一切手段(包括先进的仪器、设备)取得失效的信息和证据。 正确的失效分析思路和对失效分析形式、失效原因有良好的判断能力，要有“医生的思路，侦探的技巧”。 善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向一切可能共事
11、的人们学习。 要有扎实的专业基础知识和较宽广的知识面，工作能力要强，办事效率要高。,2 失效分析基础知识,2.1 金属构件中可能引起失效的常见缺陷,1、铸态金属组织缺陷 铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、气泡和白点等。 (1)缩孔与疏松 金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状(或喇叭状)或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积，与液态金属的温度、冷却条件以及铸锭的大小等有关。液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积就越大，金属冷凝后的缩孔
12、也就越大。,如在急剧冷却的条件下浇注金属，可以避免在铸锭上部形成集中缩孔。但在此情况下，液态金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经“消除”了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。,钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善。,疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种: 在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。此外，在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。 钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减
13、少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小。 金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。,（2）偏析 金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。 晶内偏析与晶间偏析 由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。 区域偏析 在浇注铸锭(或铸件)时，由于通过铸型壁强烈的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。结果就必然导致外层区域富集高熔点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富集着凝固时析出的
14、非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。,比重偏析 在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学成分的不均匀现象，称为比重偏析。 晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。 比重偏析可采取快速浇注予以防止。,(3)气泡与白点 气泡： 金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中由于溶解度随温度的降低而急剧地减小，致使气体从液态金属中释放出来。
15、若此时金属已完全凝固，则剩下的气体不易逸出有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔，这种气孔称为气泡。,气泡的有害影响表现如下： 气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料的强度。 当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。 在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏析，导致裂缝。,白点：氢分子在钢中很难进行扩散，在空隙处便形成巨大的局部压力（可达数百个大气压），远远超过钢的强度，因而产生裂缝， 裂缝在纵向呈银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点。,白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金
16、结构钢及低合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。此外，白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系，横截面的直径或厚度小于30 mm的钢材不易产生白点。 通常，具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能又比纵向的降低得更多。因此，具有白点的钢材一般是不能使用的。,2、金属锻造及轧制件缺陷 (1)内部组织缺陷 a粗大的魏氏体组织 在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形貌称为魏氏体组织。,魏氏体组织因其组织粗大而使材料脆性增加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体组织存在。,b. 网络状碳化物及带状组织 对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。,可多方向锻造和采用较大的锻造比来消除网状和
