失效分析概论.ppt

金属材料失效分析河海大学力学与材料学院硕士课程河海大学力学与材料学院硕士课程第一讲第一讲 概概 论论（Failure analysis of metallic materials）2第一讲第一讲 失效分析概论失效分析概论第一节第一节 失效实例失效实例第二节第二节 失效类型及原因失效类型及原因第三节第三节 失效分析原理失效分析原理第四节第四节 失效分析程序失效分析程序第五节第五节 失效分析工具失效分析工具第一节第一节 失效实例失效实例 在我们的周围，大到各种机械装置、工程设备、运输机械、锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，失效总是在发生着。实例视频实例视频何为失效?指机械机械机械机械/设备及零部件等设备及零部件等设备及零部件等设备及零部件等在使用过程中由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而导致其不能完满地完成指定的功能不能完满地完成指定的功能，或者丧失了原设计功能丧失了原设计功能的现象。随着科技的进步，材料使用日趋多元化、恶劣化，失效导致的损坏也往往极为惨重！4 空难事件1986年，美国挑战者号宇宙飞船在升空1分钟后爆炸，造成7名宇航员罹难。左图：肇事的低温硬化脆裂密封橡皮环最初猜测：宇宙飞船两侧的固态火箭推进器发生氢脆破裂 造成燃烧？调查结果：火箭推进器下方的O型密封橡皮环在火箭点火 待命发射前因需要冷却而产生低温硬化脆裂，使氢气泄漏，在宇宙飞船升空后引发爆炸。5 机翼引擎的机翼引擎的固定螺杆断裂固定螺杆断裂1979年华盛顿机场起飞DC-10客机坠毁过程分析美国民航史上重大惨案，共死亡275人,整个过程仅50秒钟。6 由于一个关键零件材料的失效引发的空难事件并不罕见!7飞机尾翼控制联动盘索破断8 AlohaAloha航空公司的航空公司的波音波音737737事故。事故。在夏威夷上空飞行在夏威夷上空飞行时飞机舱盖断裂。时飞机舱盖断裂。事故调查结论是舱事故调查结论是舱盖的强度因严重的盖的强度因严重的腐蚀和疲劳而降低。腐蚀和疲劳而降低。飞机舱盖断裂飞机舱盖断裂飞行中的飞机飞行中的飞机着陆后的机身着陆后的机身9著著名名实实例例 1956年后，美国造船钢板含C量由0.23%降至0.21%,而含Mn量由0.75%增加至0.95%,以使其韧-脆性转变温度由0降至-14.船身断开101998年德国高铁出轨事故 1998年6月3日，德国汉诺威开往汉堡的高速列车（ICE）出轨并撞上陆桥，101人死亡。发生后三天，所有此型号火车停驶进行全面检测。鉴定报告推测是火车轮箍发生疲劳破损，从车轮上松脱并卡在轮对上，列车行进只一处转撤器时终于出轨。重新运行后，最高时速由280KM降至160KM，随后德铁DB更换了被认为是事故原因的此型号火车的全部车轮。11材料失效导致的严重个案材料失效导致的严重个案蒸汽锅炉爆炸蒸汽锅炉爆炸12131415地下瓦斯钢管长期受其上方横过的污水管路腐蚀，造成管壁局部变薄而无法承受正常瓦斯压力，终于泄漏及爆炸！16 失效分析是从事材料工作者失效分析是从事材料工作者必需的知识与工具必需的知识与工具!材料失效分析相当于“材料诊断学”当材料发生失效时,利用各种仪器及方法,从断口形貌观察及破坏成分分析,推断破坏进行机制,并借此寻求失效原因,以便对症下药,或者表面重蹈覆辙。失效分析的重点是分析失效的原因和采取预失效分析的重点是分析失效的原因和采取预防措施，即所谓失效诊断和失效对策。防措施，即所谓失效诊断和失效对策。17 失效分析的意义失效分析的意义 失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生；失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生；失效分析是产品全面质量管理中的重要组成部分和失效分析是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键的技术环节；关键的技术环节；失效分析可为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、失效分析可为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、修改和制订产品质量标准等方面提供可靠科学依据；修改和制订产品质量标准等方面提供可靠科学依据；失效分析是技术开发、技术改造、技术进步和技术创失效分析是技术开发、技术改造、技术进步和技术创新的新的“促进剂促进剂”。18第二节 失效类型及原因2.1 材料失效的三大形式材料失效的三大形式 机械力破坏 腐蚀性破坏 高温破坏失效并非意味着断裂失效并非意味着断裂失效并非意味着断裂失效并非意味着断裂 断裂 表面损伤 过量变形或19材材料料破破坏坏分分类类202.2 失效的原因失效的原因设计不合理引起的失效材料中的缺陷引起的失效加工制造中的缺陷引起的失效操作不当引起的失效21 设计不合理常会引起失效设计不合理常会引起失效 如:立式火管锅炉，壳体用16MnR，火管用10号无缝钢管，管内入口温度1250-1300，出口温240，压力4MPa。火管经一段时间使用后，发生局部过热而烧穿。把10号无缝钢管改为Cr5Mo钢后，就不再出现同类失效现象。常见错误：计算中的过载荷；外形上的应力集中；焊缝选择不当及配合不合适；选材错误；没有考虑使用条件和环境的影响等。选材不当22图图 停靠在太平洋北港码头上的美国轮船停靠在太平洋北港码头上的美国轮船SchenectadySchenectady号的断裂号的断裂 经检查是由焊接缺陷引起的经检查是由焊接缺陷引起的.23 引起失效的材料缺陷引起失效的材料缺陷l铸件中的显微疏松、夹渣、成分偏析、收缩、微裂纹等。l锻造件中的过热、过烧、锻造裂纹、流线分布不良、折叠等。24 加工制造中的缺陷引起的失效加工制造中的缺陷引起的失效l切削加工中的缺陷(如:加工曲轴圆角时半径过小，造成应力集中等)；l热处理中的缺陷；l运输和安装中的缺陷；l焊接和焊后热处理缺陷；l加工热应力；l表面处理不当(如酸洗、电镀时引起的氢脆等)。25 操作不当引起的失效操作不当引起的失效 如：违反生产工艺规程、检修规程、安全技术规程等造成的失效事故。2005年年12月月29日日“西雅图邮报西雅图邮报”报道：报道：麦道麦道80客机在起飞客机在起飞20分钟后，在分钟后，在8000米高空米高空突发巨响，飞行员紧急下降，避免了灾难。突发巨响，飞行员紧急下降，避免了灾难。后经检查是机场运输工人在飞机起飞前将行后经检查是机场运输工人在飞机起飞前将行李车撞上了飞机，产生了一个折痕。最后在李车撞上了飞机，产生了一个折痕。最后在飞行时不断扩展形成了一个大洞。飞行时不断扩展形成了一个大洞。美国航美国航班在班在80008000米米高空裂高空裂个大洞个大洞262.3 材料破坏与材料加工材料破坏与材料加工l材料破坏在工程上并非仅有负面意义 在控制下的材料破坏行为!如:金属的锻造 典型的塑性变形 研磨、抛光 磨损 超声波加工 冲蚀 电浆蚀刻 喷砂磨损 电解研磨 电化学腐蚀 材料加工材料加工 改变材料尺寸、形状及表面状态改变材料尺寸、形状及表面状态改变材料尺寸、形状及表面状态改变材料尺寸、形状及表面状态27材料破坏与材料破坏与材料加工的关系材料加工的关系加工（破坏）因子加工（破坏）因子 加工执行的最小单元加工执行的最小单元加工因子参与作用加工因子参与作用加工（破坏）尺寸加工（破坏）尺寸 材料的材料的加工性加工性加工性加工性主要决定于材料的破坏参数主要决定于材料的破坏参数(强度、强度、硬度、破坏韧性等硬度、破坏韧性等),),而材料的而材料的加工精度加工精度加工精度加工精度取决于材料破坏取决于材料破坏的尺度以及对材料破坏的控制的尺度以及对材料破坏的控制。原子操纵原子操纵 晶格破坏晶格破坏 位错运动位错运动 裂纹扩展裂纹扩展28第三节 失效分析原理材料失效分析材料失效分析 材料破坏过程的回溯材料破坏过程的回溯观察破坏特征观察破坏特征分析破坏成分分析破坏成分29材料失效分析的基本原理材料失效分析的基本原理30第四节 失效分析程序现场调研31 现场调研现场调研 (1)现场的保存；(2)损伤部分的摄影；(3)调查失效部件材料的性质(成分、加工工艺等)；(4)环境条件、操作条件的情况(温度、压力、pH值、浓度境条件发生变化及出现不正常操作的情况)；(5)直接听取责任者、当事人和现场目击者的情况阐述；(6)收集工作液体、腐蚀与未腐蚀材料及其他有关材料作为试样。32实验室试验33 实验室试验实验室试验 (1)断面分析(宏观分析：确定断面形貌和变形程度，判断裂源及其扩展方向微观分析：观察和分析微观的特征形貌，并由此确定断裂的类型)(2)腐蚀生成物分析(组成、结构、性能)；(3)低倍实体检验和金相检验(包括夹杂物的类利、级别及分布，晶粒度大小、相的类型、数量和公布等；(4)机械性能测试和受力分析(如:硬度、拉伸和冲击试验、疲劳和腐蚀疲劳试验、应力腐蚀试验，测定脆性转变温度和断裂韧性等)；(5)腐蚀事故重现性试验。34失效原因分析失效原因分析35第五节第五节 失效分析工具与试样制备失效分析工具与试样制备 5.1 断口形貌观察 显微组织与断口表面特征在失效分析中起着突出作用。OM-SEM-TEM 显微镜特性比较特性互补36断断口口形形貌貌观观察察仪仪器器37 5.2 破坏成分分析破坏成分分析断口形貌观察最直接 有时仍需借助破坏成分分析技术,以确定材料破坏的真正机制！破坏成分分析 表面成分分析(分析深度5nm)次表面成分分析(分析深度1000nm)本体成分分析(材料内部化学成分)。各有代表性仪器,针对各种不同的破坏机制需选择适当的成分分析仪器。38 各种表面分析工具的特性比较各种表面分析工具的特性比较(分析深度5nm)AES俄歇光谱仪;ESCA光电子化学分析仪;SIMS二次离子质谱仪IMMA离子微探质谱仪;ISS离子散射光谱仪;LRS激光拉曼光谱仪 俄歇光谱仪 光电子化学分析仪 二次离子质谱仪 离子微探 质谱仪 离子散射光谱仪 激光拉曼光谱仪39各种次表面分析工具的特性比较各种次表面分析工具的特性比较(分析深度1000nm)EPMA电子微探分析仪;(WDX波长色散法;EDX能量色散法)XRF X射线荧光分析仪;RBS 卢瑟福后散射光谱仪;MBS 穆斯堡尔光谱仪X射线荧光分析仪卢瑟福后散射光谱仪4041本体成分分析本体成分分析l确定材料选用种类是否有误l湿法化学分析l原子光谱仪 AA 原子吸收光谱（单纯组分分析）AE 原子发射光谱 （ICP-AE适合多元素分析）42 5.3 试样制备试样制备l表面清理 去除表面脏物/废屑?金属锈蚀产物?43清理断口表面常用的技术清理断口表面常用的技术侵袭程度增加44454647温和484950小小 结结l失效分析是从事材料工作者必需的知识与工具!l失效分析遵循一定的步骤l解决材料失效分析的方法各不相同失效分析案例失效分析案例1 5152目目 录录 1 1 引引 言言2 2 理化检验理化检验 2.1 2.1 断口宏观检验断口宏观检验 2.2 2.2 低倍检验低倍检验 2.3 2.3 金相组织检验金相组织检验 2.4 2.4 断口微观检验断口微观检验 2.5 2.5 力学试验力学试验 2.6 2.6 化学成分分析化学成分分析3 3 分析与讨论分析与讨论4 4 结结 论论531 1 引引 言言图图1 1 万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌直径直径:860mm :860mm 材质材质:17CrMnMo6:17CrMnMo6542.1 2.1 断口宏观检验断口宏观检验图图2 2 劈裂断口形貌劈裂断口形貌 图图3 3 图图2 2局部放大局部放大 放射痕放射痕 暗灰色圆形斑点暗灰色圆形斑点 断裂源断裂源 552.2 2.2 低倍检验低倍检验 （a a）齿轮轴近中心部位）齿轮轴近中心部位 (b)(b)图图2 2右边集中小圆形斑下层部位右边集中小圆形斑下层部位图图4 4 白点裂纹低倍形貌白点裂纹低倍形貌 4 4 562.3 2.3 金相组织检验金相组织检验图图5 5 锯切时锯切时,图图2 2中上边的台阶自然分离中上边的台阶自然分离脱落的光滑圆形斑形貌脱落的光滑圆形斑形貌 2 2 57图图6 6 图图4(4(左左)中取向不同的裂纹显微形貌中取向不同的裂纹显微形貌 58 图图7 7 齿轮轴贝氏体齿轮轴贝氏体+铁素体组织形貌铁素体组织形貌 592.4 2.4 断口微观检验断口微观检验 图图8 8 图图3 3断裂源区电镜形貌断裂源区电镜形貌60图图9 9 圆形斑外围的圆形斑外围的准解理断口准解理断口形貌形貌 61图图10 10 裂纹扩展区的解理形貌裂纹扩展区的解理形貌622.5 2.5 力学检验力学检验 力学性能试验结果（均值力学性能试验结果（均值）试验状态试验状态 Rp0.2（Mpa）Rm（Mpa）A（%）Z（%）常规常规拉伸拉伸 515 830 13.5 24.0 慢速慢速拉伸拉伸 -820 12.0 16.5 去氢去氢拉伸拉伸 520 850 19.5 53.0 注注:常规拉伸常规拉伸5 5支支;慢速拉伸慢速拉伸3 3支支;去氢拉伸去氢拉伸4 4支支.632.5 2.5 力学检验力学检验 式中：（式中：（%Z%Z）u u-去氢试样的拉伸延性去氢试样的拉伸延性 （%Z%Z）c-c-未去氢试样的拉伸延性未去氢试样的拉伸延性 E E 在在0-10-1之间变化，之间变化，E E 越大，则氢脆敏感性高。越大，则氢脆敏感性高。齿轮轴的脆化系数：齿轮轴的脆化系数：脆化系数：脆化系数：说明齿轮轴材料已经脆化。说明齿轮轴材料已经脆化。642.6 2.6 化学分析化学分析 齿轮轴的化学成分齿轮轴的化学成分元素元素CSiMnPSCr Ni Mo轮轴轮轴 0.1870.3070.5640.0130.00561.651.510.288DINDIN标准标准 0.14/0.19 00.15/0.400.40/0.600.0350.0351.50/1.801.40/1.700.25/0.35 非指定的元素含量非指定的元素含量CuCu：0.240%0.240%、AsAs：0.422%0.422%和和SnSn：0.013%0.013%；较高的较高的AsAs和和SnSn会增加钢的回火脆性。会增加钢的回火脆性。Fe?653 3 分析与讨论分析与讨论 杂质元素杂质元素AsAs和和SnSn与氢的共同作用降低了晶界与氢的共同作用降低了晶界的断裂抗力，加剧氢脆效应。的断裂抗力，加剧氢脆效应。圆形斑圆形斑-断口断口不同取向的内裂不同取向的内裂-低倍低倍不连续裂纹不连续裂纹-金相金相波纹花样和条纹花样波纹花样和条纹花样-微观微观66劈裂机理劈裂机理原子态氢原子态氢分子态氢分子态氢体积膨胀体积膨胀内压增大内压增大晶格滑移晶格滑移显微裂纹显微裂纹二维扩展二维扩展动态平衡动态平衡停止扩展停止扩展波纹花样波纹花样条纹花样条纹花样圆形斑圆形斑67l在氢压作用下，裂纹尖端的大塑性区形成多个断在氢压作用下，裂纹尖端的大塑性区形成多个断裂源，扩展形成多个小裂面和二次裂纹。小裂面裂源，扩展形成多个小裂面和二次裂纹。小裂面上和小裂面之间存在细小撕裂棱，其裂纹扩展的上和小裂面之间存在细小撕裂棱，其裂纹扩展的阻力大，推进量小，形成圆形斑外围为准解理特阻力大，推进量小，形成圆形斑外围为准解理特征。征。l钢中氢含量较低的部位，合成氢产生的内压低于钢中氢含量较低的部位，合成氢产生的内压低于材料的临界应力，不会将钢胀裂形成白点，但聚材料的临界应力，不会将钢胀裂形成白点，但聚集的氢使材料产生应力梯度，造成局部的内应力集的氢使材料产生应力梯度，造成局部的内应力和应变，降低了材料的拉伸延性。这是齿轮轴的和应变，降低了材料的拉伸延性。这是齿轮轴的常规拉伸延性比时效处理后拉伸延性低以及慢拉常规拉伸延性比时效处理后拉伸延性低以及慢拉伸的延性比常规拉伸低的原因，进一步证明了氢伸的延性比常规拉伸低的原因，进一步证明了氢致脆化效应。致脆化效应。684 4 结结 论论1 1）齿轮轴早期劈裂是钢中白点造成的。）齿轮轴早期劈裂是钢中白点造成的。2 2）慢速拉伸和常规拉伸材料的延性低于去氢处）慢速拉伸和常规拉伸材料的延性低于去氢处理的拉伸延性，证实了齿轮轴已发生了氢致理的拉伸延性，证实了齿轮轴已发生了氢致脆化。脆化。3 3）齿轮轴中含量较高的）齿轮轴中含量较高的AsAs和和SnSn与氢共同作用加与氢共同作用加剧了脆化效应。剧了脆化效应。4 4）在强度和硬度较高的齿轮轴中，产生白点所）在强度和硬度较高的齿轮轴中，产生白点所需的临界氢含量随钢的纯净度提高而降低。需的临界氢含量随钢的纯净度提高而降低。69、教学安排l l教学内容安排教学内容安排l l教学周历教学周历l l考核方式考核方式70教学内容安排教学内容安排l概论概论 学时学时l裂纹与断口分析裂纹与断口分析 学时学时l破坏成分分析破坏成分分析 学时学时l非破坏性检测非破坏性检测(残余应力分析残余应力分析)学时学时l恒力破坏恒力破坏 学时学时l疲劳破坏疲劳破坏 学时学时l磨损破坏磨损破坏 学时学时l腐蚀破坏腐蚀破坏 学时学时l高温破坏高温破坏 学时学时l材料因素引起的失效材料因素引起的失效 学时学时l设计阶段的失误与失效设计阶段的失误与失效 l工艺因素引发的失效工艺因素引发的失效 71教学周历教学周历Week 3:第 1 讲概论 学时Week 4:第 2 讲 裂纹与断口分析 学时Week 5:第 3 讲破坏成分分析 学时Week 6:第 4 讲非破坏性检测(残余应力分析)学时Week 7:第 5 讲 恒力破坏 学时Week 8:第 6 讲疲劳破坏 学时Week 9:第 7 讲磨损破坏 学时Week 10:第 8 讲腐蚀破坏 学时Week 11 第 9 讲 高温破坏 学时Week 12:第10 讲材料-设计-工艺因素引起的失效 学时Week 13:典型失效案例分析 学时Week 14:总 结 学时 每周上课次，每次每周上课次，每次3 3学时；学时；提前一周将讲义提交审核，审核后进行必要补充提前一周将讲义提交审核，审核后进行必要补充72考核方式l上课表现10分提问次加分l课堂讲义与讲述50分要求按给定模板做成演示稿l小论文 40分论文选题给定或自选 提交日期5.31 73教材与参考书74希望大家学有所得！希望大家学有所得！