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U nR eg is te re d 失效分析 课程简介 对广大同学而言 失效和失效分析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 不管你意识到没有 失效却总是在发生着 失效 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等 当这些零件失去了它应有的功能时 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 析则可以有效地避免或减少这些损失 1 U nR eg is te re d 失效 与 事故 要区分 失效 与 事故 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 失效可能导致事故的发生 但也不一定就导致事故 11 失效failure零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况 1 零件由于断裂 腐蚀 磨损 变形等而完全丧失其功能 2 零件在外部环境作用下 部分的失去其原有功能 虽然能够工作 但不能完成规定功能 如由于磨损导致尺寸超差等 3 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 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 当达到一定的运行时间 继续使用就存在开裂的可能 2 U nR eg is te re d 5 3 U nR eg is te re d 3 4 U nR eg is te re d 6 5 U nR eg is te re d 失效的分类 金属材料 非金属材料 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 随着材料科学的发展 复合材料的应用比重越来越大 在21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 因此应加强对复合材料失效的研究 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 绝大多数情况下是几种失效模式同时存在和发生 6 U nR eg is te re d 失效的分类 宏观 微观 尺度效应 表面效应加工过程 使用过程 7 U nR eg is te re d 2 失效分析 课程简介 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 就是研究失效现象的特征和规律 从而找出失效的模式和原因 失效分析是一门综合性的质量系统工程 是一门解决材料 工程结构 系统组元等质量问题的工程学 它的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效的措施 失效分析FailureAnalysis 8 U nR eg is te re d 13 按照失效分析工作进行的时序 在失效的前后 和主要目的 失效分析可分为事前分析 事中分析和事后分析 失效分析学的显著特点 一是实用性强 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 二是综合性强 即它涉及广泛的学科领域和技术部门 事前分析 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 因素图分析法等 其主要目的是预防失效事件的发生 事中分析 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 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失效的原因 9 U nR eg is te re d 13 10 U nR eg is te re d 失效分析工作涉及的领域 q制造业q设备用户q管理机构 机械设备 汽车 工程机械 飞机 航天器 舰船 各类金属构件等等 促进产品质量提高 提高管理水平 设计 开发新品设备运行监测 设备失效监控 可靠性 索赔制订政策 监督机制 q进出口检验监督检验监督 由于失效导致的重大事故的法律责任的认定保险赔付的认定及额度失效机制 分析方法研究 人员培训8 q法律界q保险机构q科研 教育机构q其它 11 U nR eg is te re d 7 1 2失效分析的意义 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 是修订产品技术规范及标准的依据 12 U nR eg is te re d 促进材料科学与工程及其相关学科的发展 1 材料强度与断裂 断裂力学与断裂韧度 疲劳与疲劳极限 氢脆与应力腐蚀 2 材料开发与工程应用 13 U nR eg is te re d 16 失效分析的现状与发展趋势 国外状况 国内状况 发展趋势 14 U nR eg is te re d 9 德国的机器失效分析与预防 q政府方面 原西德11个州建立了523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如格林失效研究及失效防止研究所一类的机构 q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 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中心 300余人 年经费约2亿马克 一半来自企业 一半来自政府 q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100万马克 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防造成十万马克以上损失的事故 q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 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 15 U nR eg is te re d 美国 NASA 航天航空局ASM 金属学会 ASME 机械工程师学会ASTM 材料与试验学会 16 U nR eg is te re d 10 课程的主要内容 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 产品质量与失效 典型零件失效分析实例 17 U nR eg is te re d 10 教材与参考书 v孙智等 失效分析 机械工业出版社 v查理R 布鲁克斯等 工程材料的失效分析 机械工业出版社v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 12本 18 U nR eg is te re d 2 失效分析基础知识 19 is nR eg U te re d 2 劳 高温疲劳等 由于两物体接触表面在接触 应力下有相对运动造成材料流失所引起的一种失效形式 环境气氛的化学和电化学作用引起 磨损 主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤 发生在有相对运动的表面 主要有粘着磨损和磨粒磨损 腐蚀 氧化腐蚀和电化学腐蚀 冲蚀 气蚀 磨蚀等 局部腐蚀和均匀腐蚀 表面损伤失效 3 直接原因由于在一定载荷条件下发生过量变形 零件失去应有功能不能正常使用 由于载荷或应力强度超过当时材料的承载能力而引起 由于环境介质 应力共同作用引起的低应力脆断 由于周期 交变 作用力引起的低应力破坏 失效形式a 扭曲 如花键 b 拉长 如紧固件 c 胀大超限 如液压活塞缸体 d 高低温下的蠕变 如动力机械 e 弹性元件发生永久变形一次加载断裂 如拉伸 冲击 持久等 环境介质引起的断裂 应力腐蚀 氢脆 液态金属脆化 辐照脆化和腐蚀疲劳等 疲劳断裂 低周疲劳 高周疲劳 弯曲 扭转 接触 拉 拉 拉 压 复合载荷谱疲劳与热疲 失效类型过量变形失效断裂失效 序号12 2 1机械零件失效形式与来源2 1 1失效的主要形式及其原因 20 U nR eg is te re d 3 2 1 1失效的主要形式及其原因 断裂失效的分类 失效分析工作者通常从致断原因 断裂机理或断裂模式 的角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型 1 过载断裂失效 2 疲劳断裂失效 3 材料脆性断裂失效 4 环境诱发断裂失效 5 混合断裂失效 21 U nR eg is te re d 3 2 1 2失效的来源 引起零件早期时效的原因是很多的 主要有以 下几方面 1 设计与选材上的问题 2 加工 热处理或材质上的问题 3 装配上的问题 4 使用 操作和维护不当的问题 据调查统计 在失效的原因中 设计和制造加工方面的问题占56 以上 这是一个重要方面 在失效分析和设计制造中都应引起足够重视 22 U nR eg is te re d 3 2 1 2失效的来源 1 设计问题 1 在高应力部位存在沟槽 机械缺口及圆角半径过小等 2 应力计算方面的错误 对于结构比较复杂的零件 所承受的载荷性质 大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误 3 设计判据不正确 由于对产品的服役条件了解不够 设计判据的选用错误造成失效的事例也时有发生 2 材料选择上的缺点 1 选材的判据有误 2 材料中的缺陷 23 U nR eg is te re d 夹杂 枝晶间的缩孔锻件中的空洞 24 U nR eg is te re d 3 2 1 2失效的来源 3 加工制造及装配中存在的问题 加工方法不正确 技术要求不合理及操作者失误也是引起设备 过早失效的重要原因 热处理不当也是常见的失效原因之一 常见的有过热 回火不充分 加热速度过快及热处理方法选用不合理等 热处理过程中的氧化脱碳 变形开裂 晶粒粗大及材料的性能未达到规定要求等时有发生 酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也是常见的 失效形式 不文明施工 不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残 余应力 附加应力等 都可以引起零件的早期失效 25 U nR eg is te re d 3 2 1 2失效的来源 4 不合理的服役条件 不合理的起动和停车 超速 过载服役 温度超过允许值 流速波动超出规定范围以及异常介质的引入都可能成为设备过早失效的根源 26 U nR eg is te re d 2ab Kt 1 smaxs平均 s平均5 2 2应力集中与零件失效2 2 2应力集中零件截面有急剧变化 引起局部地区的应力高于受力体的平均应力 应力集中系数 表示应力集中程度大小的系数 27 U nR eg is te re d sinyrq cosyzqss 2332sincossincosaiqiqqqsst g q yxxy 22 22 5 2 2 2应力集中 承受均布拉应力q时裂隙附近任意点的应力分布 以裂隙端点B为原点的极坐标 z a rcosq irsinq r远小于a 将上式按r a的升幂次展开 只保留随r的减小而增大的主项 略去其中的次项 r 2aq r2 28 U nR eg is te re d 3qqq 3qqq 5 a2ra2ra2r cos 1 sinsin 222cos 1 sinsin 222qq3qsincoscos222 sx q sy q txy q 29 U nR eg is te re d syz 2qRe s z2 a2 iaz iz 2z2 3a2 z2 a2 s s 2it q yxxy z a rcosq irsinq aqq3q aqq3q 承受剪应力q时裂隙附近任意点的应力分布 sin 2 coscos 2r222aqq3qsincoscos2r222cos 1 sinsin 2r2225 sx q sy q txy q 3 2 iz 2 z a rcosq irsinq 30 U nR eg is te re d Kf s 1 s 1 k 光滑试件的疲劳极限缺口试件的疲劳极限 机械零件发生疲劳破坏时 缺口件的疲劳强度应按应力集中系数的倍数下降 疲劳时的有效应力集中系数 Kt 复合 Kt 缺口 Kt 划痕 31 d te re nR eg is U 5 扭转 3 54 02 04 5 5 04 0 7 54 5 5 0 集中特性t r510 2 7 2 83 01 63 5 4 03 0 弯曲外部切口内部切口拉伸或弯曲扭转 细小的环形外部切口或内部小空腔rH 0 1mm内部或外部的细小环形切口rH 0 1mm 棒材管材 5 53 5 4 0 拉伸或压缩拉伸 细小的单边或双边切口rH 0 1mm 板材 载荷类型 应力集中类型 形状 不同试样的应力集中系数应力集中系数 Kt 32 U nR eg is te re d 5 33 U nR eg is te re d 6 应力集中对零件失效的影响1 材料的缺口敏感性 应力集中对零件失效的影响 在一定程度上与材料的缺口敏感性有关 缺口导致应力状态的变化和应力集中 有使材料变脆的趋向 1 NSR 1 缺口处发生了塑性变形的扩展 比值越大说明塑性变形扩展量越大 脆化倾向越小 2 NSR 1 缺口处还未发生明显塑性变形就脆断 表示缺口敏感 NSR sNbsb 34 U nR eg is te re d 6 2 影响应力集中与断裂失效的因素 1 材料力学性能的影响 材料硬度越高 脆性越大 塑性韧性越低 应力集中作用越强烈 其裂纹扩展速率也越高 2 零件几何形状的影响 3 零件应力状态的影响 4 加工缺陷的影响 5 装配 检验产生缺陷的影响 35 nR eg is U te re d 6 2 零件几何形状的影响 零件在应力集中处产生疲劳裂纹示意图 零件在应力集中处产生淬火裂纹示意图 36 U nR eg is te re d 6 降低应力集中系数的措施 1采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度 1 表面处理强化 2 薄壳淬火 3 喷丸强化 4 滚压强化 2从设计方面降低应力集中系数 1 变截面部位的过渡 加大圆角或改变方式 2 根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位 3 在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔 37 U nR eg is te re d 6 降低应力集中系数的措施 3 在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔 38 U nR eg is te re d 2 3 残余应力与零件失效 内应力 物体在无外载荷时 存在于其内部并保持平衡的一种应力 3类内应力 1 存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力 尺寸在0 1mm以上 2 晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力 3 原子尺度范围保持平衡的应力 晶体内的不均匀残余应力 位错引起的不均匀变形应力 内应力产生的根本原因 7 39 U nR eg is te re d c 组织应力 尤其是热影响区的组织变化引起的组织应力 7 2 3 2残余应力的产生 1 热处理残余应力 是热应力和组织应力的叠加 脱碳层形成残余拉应力 2 表面化学热处理引起的残余应力渗碳 渗氮后表层为残余压应力 3 焊接残余应力 焊接是较容易产生残余应力的材料成型方式 在焊缝及热影响区由于焊接的热应力 组织应力和拘束应力共同作用产生复杂的残余应力场 焊接应力形成原因 a 直接应力 不均匀加热的结果 b 间接应力 焊前材料加工残留的应力叠加在焊接应力中 40 s MPa nR eg is te re d U s MPa 3 焊接残余应力 0 10 20 30 40 200 40 30 20 10 4003002001000 100 200 60 50 40 30 20 100102030405060Distancetocenter mm4003002001000 100 Distancetocenter mm8 41 U nR eg is te re d 4 铸造残余应力 5 电镀引起的残余应力 6 切削加工残余应力 42 nR eg is te re U d 组织应力分布 1 热处理残余应力热应力分布 冷却初期表面发生相变 冷却后期心部发生相变9 43 U nR eg is te re d 9 1 热处理残余应力 热处理淬火残余应力类型K 表层 R 心部 44 残余应力 MPa 残余应力 MPa is nR eg te re d U 1 热处理残余应力 中心轧辊淬火残余应力 表面 6004002000 200 400 600 800 1000 800 1200050100150200轧辊径向尺寸 mm 12000 8006004002000 200 400 600 800 1000 2004006008001000试样直径 mm 表面周向火焰淬火残余应力分布材料 0 97 C硬化深度 2 4 2 8mm 45 残余应力 MPa 残余应力 MPa is te re d nR eg U 2 化学热处理引起的残余应力渗碳 渗氮后表层的残余应力为压应力状态 80 20 0 600 800100 4002000 200 400 2 6040截面积 mm 1000 12000 00 10 20 30 40 5 0 200 400 600 800 D表示有效渗碳层深度 渗碳层残余应力分布11 距表面深度 mm氮化层残余应力分布 46 d U nR eg te re is 12 4 涂镀层引起的残余应力 47 U nR eg is te re d 12 4 涂镀层引起的残余应力 激光强化层的残余应力沿层深的分布 a X 层深分布曲线 b Y 层深分布曲线 1 1500W 25mm s2 1000W 25mm s 48 nR eg is U te re d 12 4 涂镀层引起的残余应力 喷涂工艺方法对NiCrSi涂层残余应力的影响 火焰喷涂涂层内残余应力与其厚度的关系 49 te re d 残余应力 MPa U nR eg 残余应力 MPa is 5 切削加工残余应力 3000 00 3002001000 100 200 0 20 800 8004000 400 0 050 100 15深度 mm 0 050 100 15深度 mm铣加工表面残余应力 B 侧刃铣 低速 C 端面铣 低速 D 滚铣 高速 13 砂轮太硬时的磨削应力 50 U nR eg is te re d 逐层剥除法 切割法 钻孔法 机械测长法 电阻应变仪法 应用脆性涂料法 光弹覆膜法2物理测定法X射线测定法 测定晶粒内的特定晶面的面间距发生的变化 求得应力 有照相法和计数管法 磁性测定方法 铁磁体的磁化 受到晶体的各向异性 晶粒大小 合金元素 夹杂物及应力的影响 残余应力对磁畴的旋转和唯一会产生附加的阻力 3其他脆性涂层光学方法奥氏体钢和黄铜氨熏试验 定性 16 残余应力的测试方法1机械法 应力释放法 51 U nR eg is te re d 16 1 残余应力对静强度和变形的影响 a 加载前的残余应力b 加载后的残余应力 c 中央部分的应力 应变曲线d 两侧部分的应力 应变曲线e 整体部分的应力 应变曲线 塑性材料 影响不大 或 没有影响 淬火回火 影响不可忽视 2 3 3残余应力的影响 52 U nR eg is te re d 16 2 残余应力对硬度的影响 残余拉应力使硬度下降 残余压应力影响 较小 3 残余应力对疲劳的影响 一般 当承受交变应力的构件存在残余压应力时 构件的疲劳