1、失失 效效 分分 析析金属失效分析金属失效分析“失效分析失效分析”课程简介课程简介1.失效概念2.失效分析概念3.失效分析相关学科4.失效分析历史5.失效分析发展6.失效分析简单案例7.失效分析的意义“失效分析失效分析”课程简课程简介介 对广大同学而言，对广大同学而言，失效失效和和失效分析失效分析也许是一个陌生的概也许是一个陌生的概念。然而在我们的周围，大到各种机械零件，工程设备，运念。然而在我们的周围，大到各种机械零件，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，不管你意识到没各类设
2、施，我们手头的各种电子器件等等，不管你意识到没有，失效却总是在发生着。有，失效却总是在发生着。失效失效失效失效各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。当这些等。当这些 零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。零件失去了它应有的功能
3、时，则称该零件失效。失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有效地避免或减少这些损失。效地避免或减少这些损失。零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：失效失效 failure“失效失效”与与“事故事故”要区分要区分“失效失效”与与“事故事故”，这是两个不同的概念。事，这是两个不同的概念。事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。同样，失效可故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。
4、能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能完全丧失其功能；（2）零件在外部环境作用下，）零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，部分的失去其原有功能，虽然虽然能够工作，但不能完成规定功能能够工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差，如由于磨损导致尺寸超差等；等；（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性不能确保安全可靠性。如经过长期高温运行的压力容器及其如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，
5、当达到一定的运行时间，管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。继续使用就存在开裂的可能。通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。措施所进行的一切技术活动。研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。模式和原因。任务是既要揭示产品功能失效的模式和原因，任务是既要揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，又要找出纠正和预防失弄清失效的机理和规律，又要找出纠正和预防失效的措施。效的措施。失效分析失效分析 Failure Analysis 失效分
6、析工作进行的时序：失效分析工作进行的时序：失效分析学的显著特点失效分析学的显著特点：一是一是实用性强实用性强，即它有很强的生产使，即它有很强的生产使用背景，与国民经济建设存在着密切关系；二是用背景，与国民经济建设存在着密切关系；二是综合性强综合性强，即，即它涉及广泛的学科领域和技术部门它涉及广泛的学科领域和技术部门 .事前分析事前分析，主要采用逻辑思维方法（如故障树分析法、事件时，主要采用逻辑思维方法（如故障树分析法、事件时序树分析法和特征序树分析法和特征因素图分析法等），其主要目的是预防失因素图分析法等），其主要目的是预防失效事件的发生。效事件的发生。事中分析事中分析，主要采用故障诊断与状态
7、监测技术，用于防止运行，主要采用故障诊断与状态监测技术，用于防止运行中的设备发生故障。中的设备发生故障。事后分析事后分析，是采用实验检测技术与方法，找出某个系统或零件，是采用实验检测技术与方法，找出某个系统或零件失效的原因。失效的原因。1.公元前2025年到世界工业革命前 失效分析的第一阶段，即与简单手工生产基础相适效分析的第一阶段，即与简单手工生产基础相适应的古代失效分析阶段。公元前2025年由巴比伦国王汉莫拉比撰写的汉莫拉比法典是史料记载的最早的产品质量的法律文件。它第一次在人类历史上明确规定对制造有缺陷产品的工匠进行严厉制裁。由于生产力落后，商品往往供不应求，罗马法律肯定了商品出门概不退
8、换的总原则。2.从工业革命到20世纪50年代末 失效分析发展的第二阶段，即以大机器工业为基础的近代失效分析阶段。以蒸汽动力和大机器生产为代表的工业革命给人类带来巨大的物质文明的同时，也不断给人类带来前所未有的灾难。英国在总结大量蒸汽锅炉爆炸事件后，于1862年建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段。在这一时期，失效分析也大大推动了相关学科特别是推动和促进了强度理论和断裂力学学科的创立和发展。通过对大量锅炉爆炸和桥梁断裂事故的研究，Charily发明摆锤冲击试验机，可以检测金属材料的韧性。Wohler通过对1852-1870年间火车轮轴断裂失效
9、的分析研究，揭示出金属的疲劳现象，并研制出第一台疲劳试验机;20世纪20年代，Griffith通过对大量脆性断裂事故的研究，提出了脆断理论;1940-1950年间发生的北极星导弹爆炸事故、第二次世界大战期间的“自由轮”脆性断裂事故，推动了断裂力学的产生。由于科学技术的限制，这一时期虽然有失效分析的专门机构，但其分析手段仅限于宏观痕迹以及对材质的宏观检查。分析仅限于宏观，不能从宏、微观上揭示产品失效的物理本质与化学本质。3.20世纪50年代开始进入了失效分析第三阶段 到20世纪50年代末电子显微学取得长足进步，特别是扫描电子显微镜的出现，为失效分析工作提供了微观分析手段，为失效分析技术向纵深发展
10、创造了条件，失效分析进入以系统理论为指导的现代失效分析阶段。从在这一阶段的初期，大型运载工具尤其是航空装备的广泛应用，各种失效造成的事故越来越大，影响越来越严重，反过来又大大促使了失效分析的迅猛发展。现代失效分析阶段可分为两个阶段:20世纪60-80年代中期，借助扫描电镜的帮助，失效分析围绕断裂特征和性质分析，这一阶段的失效分析大多从材质冶金等方面去寻找引起断裂失效原因，而对失效件的力学分析则认为是结构设计考虑的问题，失效分析的学术活动及其学术组织也都附属于材料学科或理化检测领域。20世纪80年代中后期开始的阶段，失效分析开始逐渐形成一个分支学科，而不再是材料科学技术的一个附属部分，这一阶段失
11、效分析领域发展的主要标志是失效分析的专著大量出现，全国性的失效分析分会相继成立。国外工业发达国家高度重视航空装备在内的交通安全事故的调查研究工作。美国建有国家运输安全委员会，并早在1967年，美国成立了“机械故障预防中心(MFPC)”，由原子能委员会、美国国家航空和宇航局(NASA)等长期支持开展航空和宇航材料与结构的服役失效分析工作。美国的失效分析中心遍布全国各个部门，有政府办的，也有大公司及大学办的。例如，国防尖端部门、原子能及宇航故障分析集中在国家的研究机构中进行;宇航部件的故障分析在肯尼迪空间中心故障分析室进行;阿波罗航天飞机的故障在约翰逊空间中心和马歇尔空间中心进行分析;民用飞机故障
12、在波音公司及洛克威尔公司的失效分析中心进行分析等。在德国，失效分析中心主要建在联邦及州立的材料检验中心。原西德的11个州共建了523个材料检验站，分别承担各自富有专长的失效分析任务。工科大学的材料检验中心，在失效分析技术上处于领先地位。德国联邦材料测试实验室及GKSS研究中心是长期从事材料及结构服役与失效综合研究的世界著名的研究机构。在日本，国立的失效分析研究机构有金属材料技术研究所、产业安全研究所和原子力研究所等。在企业界，新日铁、日立、三井、三菱等都有研究机构，另外各工科大学都有很强的研究力量。意大利Bodycote材料测试国家实验室也是长期从事材料及结构服役与失效综合研究的世界著名的研l
13、究机构。美国出版和再版的金属手册中的失效分析卷是一本影响较大的实用工具书，目前在英国还定期出版杂志Engineering Failure Analysis，美国出版了杂志Failure Analysis&Prevention。失效分析的发展趋势将是:简单的断口分析逐步发展为综合分析;单一服役条件下失效的诊断逐步发展为复杂服役条件下失效的诊断;由定性分析向定量分析过渡;变事后分析为事先分析;从单一模式的安全评定向多参数、全过程的安全评定发展。使失效分析从“手艺技术向失效学学科体系发展”;变失效诊断为失效模式、原因、机理的诊断:从失效预测向剩余寿命、安全状况、可靠性的预测过渡;失效预防向工程预防、
14、抗失效设计、专家系统发展。热锻模具淬火断裂的失效分析1.现场调查 某厂用3Cr2W 8V钢制热锻模具，锻造材料为25钢的齿状零件。模具加工时，发现锻件硬度较高，为了便于加工，将模具进行过一次降低硬度退火，但温度和时间己无纪录。加工后的模具在淬火过程中听到模具开裂声音，随即停止冷却，并放在630回火炉中回火，回火时裂纹继续扩展使模具成为多个碎块(见图a,b)。由于发现模具开裂，中止继续回火。2.失效分析的初步判断 模具在热处理时开裂的原因分析，主要有二种情况可能造成失效:材料化学成分错误，加热温度过高，原始材料组织有缺陷(如组织粗大、碳化物或杂质分布不均匀)。3.建立具体分析思路和工作程序l按二
15、种情况，建立具体分析思路和工作程序:（1）材质分析，（2)力学性能分析，（3）断口分析，（4）分析论证开裂原因，(5)结论。(1)原材料化学成分分析 结果:在模具上取样，测定模具的化学成分(Wt%)如表1.与GB1299-85相比，其化学成分符合国标要求。qq失效分析的意义失效分析的意义可产生巨大的社会经济效益；可产生巨大的社会经济效益；有助于提高管理水平和促进产品质量提高；有助于提高管理水平和促进产品质量提高；有助于分清责任和保护用户（或生产者）利益；有助于分清责任和保护用户（或生产者）利益；为新产品开发提供依据；为新产品开发提供依据；是修订产品技术规范及标准的依据；是修订产品技术规范及标准
16、的依据；促进材料科学与工程及其相关学科的发展。促进材料科学与工程及其相关学科的发展。qq著名材料科学家、中国科学院院士、中国工程院士著名材料科学家、中国科学院院士、中国工程院士师昌绪师昌绪教授教授在在1998年年10月召开的第三次全国机电装备失效分析预测预防战略月召开的第三次全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会上作了题为研讨会上作了题为“提高失效分析人员素质、促进失效学科发展提高失效分析人员素质、促进失效学科发展”的讲话。他强调的讲话。他强调“通过这次会议，对失效分析会引起很大的重通过这次会议，对失效分析会引起很大的重视，特别是领导部门，还有中国科协、中国机械工程学会等。视，特别是领导部门，
17、还有中国科协、中国机械工程学会等。我想失效分析会越来越受到重视，因此，对参与失效分析的人员我想失效分析会越来越受到重视，因此，对参与失效分析的人员要求也越来越高。我特别强调对人员需要特别高的要求。第一专要求也越来越高。我特别强调对人员需要特别高的要求。第一专业知识要扎实，第二知识面要广，业知识要扎实，第二知识面要广，任何事都不是孤立的，而更任何事都不是孤立的，而更重要的是从事失效分析人员的素质问题。失效分析人员必须站在重要的是从事失效分析人员的素质问题。失效分析人员必须站在公正的立场，不受政治干扰，如果做不到这一点，我觉得就没有公正的立场，不受政治干扰，如果做不到这一点，我觉得就没有资格去从事
18、这项工作。资格去从事这项工作。因此人员素质是很重要的。另一个问题因此人员素质是很重要的。另一个问题，任何一个失效分析都是综合性的，这就需要大家合作，一个人，任何一个失效分析都是综合性的，这就需要大家合作，一个人绝对不可能完成这项工作，因此必须协作。绝对不可能完成这项工作，因此必须协作。”“”“总而言之，失效总而言之，失效分析是不可缺少的，而且越来越重要。分析是不可缺少的，而且越来越重要。”德国的机器失效分析与预防德国的机器失效分析与预防qq政府方面政府方面：原西德原西德11个州建立了个州建立了523个材料检验站，分别承担负有专长的个材料检验站，分别承担负有专长的失效分析任务。鼓励私人投资成立例
19、如格林失效研究及失效防止研究所一失效分析任务。鼓励私人投资成立例如格林失效研究及失效防止研究所一类的机构。类的机构。qq大学中的国立材料检验中心大学中的国立材料检验中心：加强工科大学的国立材料检验中心，使其：加强工科大学的国立材料检验中心，使其真正成为在技术上处于领先地位的权威单位。真正成为在技术上处于领先地位的权威单位。如斯图加特大学的材料检验如斯图加特大学的材料检验中心，中心，300余人，年经费约余人，年经费约2亿马克（一半来自企业，一半来自政府）。亿马克（一半来自企业，一半来自政府）。qq阿里盎兹技术保险公司阿里盎兹技术保险公司：为了降低所保险范围内的失效事故率，加强竞：为了降低所保险范
20、围内的失效事故率，加强竞争能力，该公司技术中心拥有专职人员争能力，该公司技术中心拥有专职人员130余人，每年的设备投资平均为余人，每年的设备投资平均为100万马克。公司拥有万马克。公司拥有340多名专职技术保险工程师，业务重点是研究和预多名专职技术保险工程师，业务重点是研究和预防造成十万马克以上损失的事故。防造成十万马克以上损失的事故。qq企业和制造公司企业和制造公司：加强了各自研究发展中心对其产品寿命及可靠性的研：加强了各自研究发展中心对其产品寿命及可靠性的研究，如本兹汽车公司，拥有先进的分析手段和雄厚的技术力量。究，如本兹汽车公司，拥有先进的分析手段和雄厚的技术力量。课程的主要内容课程的主
21、要内容：失效与失效分析的意义、现状与发展趋势；失效与失效分析的意义、现状与发展趋势；失效分析基础；失效分析基础；失效分析的方法及程序；断口的失效分析的方法及程序；断口的宏观分析；断口的微观分析；过载断裂失效；疲宏观分析；断口的微观分析；过载断裂失效；疲劳断裂失效；材料致脆断裂失效；环境致脆断裂劳断裂失效；材料致脆断裂失效；环境致脆断裂失效；蠕变断裂失效；腐蚀与磨损失效；产品质失效；蠕变断裂失效；腐蚀与磨损失效；产品质量与失效；典型零件失效分析实例量与失效；典型零件失效分析实例。传统的零件失效多指金属零件，即由名义上的各向同传统的零件失效多指金属零件，即由名义上的各向同性材料制成的零件。随着材料
22、科学的发展，复合材料的应性材料制成的零件。随着材料科学的发展，复合材料的应用比重越来越大，在用比重越来越大，在2121世纪，复合材料将超过金属材料的世纪，复合材料将超过金属材料的使用量，从而在材料中占有主导地位，因此应加强对复合使用量，从而在材料中占有主导地位，因此应加强对复合材料失效的研究。材料失效的研究。复合材料的失效，又称为复合材料破坏，指复合材料复合材料的失效，又称为复合材料破坏，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、在经过某些物理、化学过程后（如载荷作用、材料老化、温度和湿度变化等）发生了形状、尺寸性能的变化而丧失温度和湿度变化等）发生了形状、尺寸性能的变化而丧
23、失了预定的功能。了预定的功能。复合材料是一种各向异性的多相复合体，失效过程要复合材料是一种各向异性的多相复合体，失效过程要比通常的各向同性材料复杂得多，它涉及到组分材料的性比通常的各向同性材料复杂得多，它涉及到组分材料的性能、复合的方式、工艺条件、界面性能、载荷的性质与环能、复合的方式、工艺条件、界面性能、载荷的性质与环境因素等，不可能只用一种失效模式来描述复合材料失效。境因素等，不可能只用一种失效模式来描述复合材料失效。绝大多数情况下是几种失效模式同时存在和发生绝大多数情况下是几种失效模式同时存在和发生66。失效分析与生产现场所进行的废品分析的区别失效分析与生产现场所进行的废品分析的区别：涉
24、及的专业知识、采用的思想方法及分析手段等方面，有涉及的专业知识、采用的思想方法及分析手段等方面，有许多共同之处。许多共同之处。在分析的对象、分析的目的及判断是非的依据等方面是不在分析的对象、分析的目的及判断是非的依据等方面是不同的。同的。例例 模数为模数为7的传动齿轮，采用的传动齿轮，采用20CrMnTi钢制造，经渗碳钢制造，经渗碳淬火并低温回火处理。技术要求是：渗碳层的硬度淬火并低温回火处理。技术要求是：渗碳层的硬度5863HRC，心部硬度，心部硬度3248HRC，马氏体及残余奥氏体，马氏体及残余奥氏体4级，级，渗碳层深度为渗碳层深度为1.31.5mm。该齿轮在使用中发生断齿失效，。该齿轮在
25、使用中发生断齿失效，试分析断齿原因试分析断齿原因。请思考。请思考。分析一分析一 按技术要求对该齿轮进行常规检查，其按技术要求对该齿轮进行常规检查，其结果是：渗碳层硬度为结果是：渗碳层硬度为62HRC，心部硬度为，心部硬度为42HRC，马氏体及残余奥氏体为马氏体及残余奥氏体为3级，均符合要求，但渗碳层级，均符合要求，但渗碳层深度为深度为1.1mm，不符合技术要求。对于这个齿轮，不符合技术要求。对于这个齿轮，如果在出厂前发现硬化层深度低于技术要求而判为如果在出厂前发现硬化层深度低于技术要求而判为不合格品，这是无可非议的。但是现在要处理的问不合格品，这是无可非议的。但是现在要处理的问题是齿轮为什么发
26、生断齿，那就不能简单地认定是题是齿轮为什么发生断齿，那就不能简单地认定是硬化层深度不足而引起的硬化层深度不足而引起的。分析二分析二 按失效分析的观点，在进行上述常规检查后应按失效分析的观点，在进行上述常规检查后应作进一步分析。分析表明，断口为作进一步分析。分析表明，断口为宏观脆性断裂宏观脆性断裂（掉下的（掉下的齿形呈凸透镜状），齿形呈凸透镜状），众多初裂纹源于表面加工缺陷处众多初裂纹源于表面加工缺陷处。经。经快速扩展后引起断裂，属过载类型的快速扩展后引起断裂，属过载类型的宏观脆性断裂宏观脆性断裂。根据。根据上述分析，该齿轮断齿失效是由于上述分析，该齿轮断齿失效是由于齿根加工质量不良齿根加工质量
27、不良产生产生的严重应力集中引起的。其改进措施应是提高齿根的加工的严重应力集中引起的。其改进措施应是提高齿根的加工质量、减少应力集中及防止过载。实践证明这一分析结论质量、减少应力集中及防止过载。实践证明这一分析结论是正确的。按照分析一的观点，如果增加硬化层的深度至是正确的。按照分析一的观点，如果增加硬化层的深度至1.31.5nm，虽然符合技术要求，但由于渗碳层的脆性进，虽然符合技术要求，但由于渗碳层的脆性进一步加大，不但解决不了此类断齿问题，而且会增加此类一步加大，不但解决不了此类断齿问题，而且会增加此类断齿的危险性。断齿的危险性。教材与参考书：教材与参考书：v 孙智等，失效分析，机械工业出版社
28、孙智等，失效分析，机械工业出版社v 朱敦伦等，机械零件失效分析，中国矿业大学出版社朱敦伦等，机械零件失效分析，中国矿业大学出版社v 陈南平等，机械零件失效分析，清华大学出版社陈南平等，机械零件失效分析，清华大学出版社v 机械工程学会材料学会，失效分析丛书，机械工业出版社机械工程学会材料学会，失效分析丛书，机械工业出版社(12本）本）v ASM INTERNATIONAL，Metals Handbook，Ninth Edition，Vol.11，Failure Analysis and Prevention，U.S.A，1987 v Richard W.Hertzberg,Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials,(Second Ed.),John Wiley&Sons,Inc.USA,1983 教学方法教学方法：案例教学案例教学
