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材料综合实验2011.2-31重大失效案例重大失效案例•1984年年12月月3日凌晨，日凌晨，在印度博帕尔市的美国印度博帕尔市的美国联合碳化物公司联合碳化物公司所属一家化工厂，因安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量储罐管路破裂，泄出大量毒气，毒气，造成2500人死亡•该市50万居民中有20万受到毒气侵害，其中2万人需住院治疗后来美国公司赔偿150亿美元的损失费n1980年年3月月27日，日，北海的石油钻探船北海的石油钻探船Alexander Kiellang号，号，由于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损失达几千万美元2重大失效案例重大失效案例•1986年年1月月28日日11时时39分分12秒秒 （美国东部时间），美国美国“挑战者挑战者”号航天飞机，号航天飞机，从佛罗里达州肯尼迪航天中心，第10次发射升空后73秒钟，到10英里上空，因助推火箭发生故障，助推火箭发生故障，突然爆炸，突然爆炸，航天飞机被炸成碎片坠入大西洋•7名宇航员遇难，直接损失12亿美元，停飞近3年，为人类航天史上最严重一次载人航天事故3失效分析          各类产品由于在材料选用材料选用、设计设计、制造制造、使使用用、维修维修及人为操作人为操作等原因常发生失效，轻则须更换零件、重则导致严重事故，造成人员伤亡和经济上重大损失。

历史上曾有如：          列车因车轴、车轮的断裂而出轨或倾覆；列车因车轴、车轮的断裂而出轨或倾覆；          大型轮船因船体断裂而沉没；大型轮船因船体断裂而沉没；          大型压力容器、锅炉的爆炸；大型压力容器、锅炉的爆炸；          大型电站转子的飞裂；桥梁的断裂；大型电站转子的飞裂；桥梁的断裂；          飞机因发动机、机翼等零件的失效而坠毁；飞机因发动机、机翼等零件的失效而坠毁；          海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没4失效分析•失效失效（（Failure)与与失效分析失效分析(Failure Analysis) 各各类零部件在服役过程中，由于种种原因还未类零部件在服役过程中，由于种种原因还未达到设计使用寿命就丧失或部分丧失既定功能的现达到设计使用寿命就丧失或部分丧失既定功能的现象象,称为称为早期失效早期失效若使用寿命已达到设计要求而丧若使用寿命已达到设计要求而丧失使用性能的现象失使用性能的现象,称为称为正常失效正常失效 失效分析失效分析是指对产品的设计、材料、加工、安是指对产品的设计、材料、加工、安装及使用维护等，进行调查、实验及综合分析，探装及使用维护等，进行调查、实验及综合分析，探讨失效的主要原因和规律，并给出解决方案。

讨失效的主要原因和规律，并给出解决方案 失效分析的目的：就是根据实际的使用条件，失效分析的目的：就是根据实际的使用条件，借助现有的试验方法，找出失效的主要原因，并制借助现有的试验方法，找出失效的主要原因，并制定合理的改进方案，提高各类部件在使用过程中的定合理的改进方案，提高各类部件在使用过程中的寿命与安全系数，防止同类失效再度发生寿命与安全系数，防止同类失效再度发生5失效分析•失效分析的意义：失效分析的意义：对早期失效的零部件进行失效分析，给出原因和解决方案，有利于进一步指导工程实践，对提高零部件在服役过程中的安全系数和使用寿命，减少因失效造成的灾难性事故和保证人民的生命财产安全具有重要的指导意义6失效的界定•根据资料失效一般有以下三种情况： 1. 完全不能工作完全不能工作（（完全丧失功能）完全丧失功能）          如：发动机中曲轴、连杆的断裂；涡轮机叶片突然断裂；压力容器曲轴、连杆的断裂；涡轮机叶片突然断裂；压力容器壳体开裂壳体开裂等； 2. 虽仍能工作，但不能完全达到设计要求的功能（功能衰退或丧失部分功虽仍能工作，但不能完全达到设计要求的功能（功能衰退或丧失部分功能），存在隐患，应及时考虑更换或维修。

能），存在隐患，应及时考虑更换或维修         如：发动机气缸套、活塞环严重磨损，间隙增大，发动机功能降低发动机气缸套、活塞环严重磨损，间隙增大，发动机功能降低 3. 能工作和完成规定功能，但不能确保安全，存在严重的安全隐患，应立能工作和完成规定功能，但不能确保安全，存在严重的安全隐患，应立即更换维修即更换维修         如：经长期高温运行的压力容器及其管道，内部组织发生变化，继续经长期高温运行的压力容器及其管道，内部组织发生变化，继续使用存在开裂危险使用存在开裂危险7失效的方式•一般将失效分为：断裂失效、非断裂失效一般将失效分为：断裂失效、非断裂失效两大类 也可分为：过量变形失效也可分为：过量变形失效、断裂失效断裂失效和表面损伤失表面损伤失效效 三类           过量塑性变形过量塑性变形：花键轴扭曲的扭转变形失效；紧固螺栓的拉长变形失效等，永久性变形，变形量超过了尺寸的精度控制范围           过量弹性变形失效过量弹性变形失效：弹性元件（弹簧）的永久变形失效等，即弹性材料在服役过程中发生了屈服，并产生了塑性变形          8失效的方式断裂失效：断裂失效：•脆性断裂：脆性断裂：断裂前无或很少发生宏观可见塑性变形。

•韧性断裂：韧性断裂：断裂前产生显著的宏观塑性变形•疲劳断裂：疲劳断裂：在交变载荷下，经一定时间后发生断裂•环境介质引起的断裂环境介质引起的断裂、冲击断裂冲击断裂、蠕变持久断裂蠕变持久断裂等二级失效形式9表面损伤失效表面损伤失效 ：：•零件表面损伤失效可由磨损磨损和腐蚀腐蚀而引起的•磨损磨损、腐蚀腐蚀和断裂断裂是工程构件三种主要的失效形式三种主要的失效形式•断裂失效带来危害最大，但当机件表面损伤（磨损、腐蚀或接触疲劳及复合作用）使机件尺寸变小、光洁度下降，出现腐蚀坑、麻点、剥落等造成机件精度下降、振动增大，逐步发展，最终导致丧失功能（即慢性失效），此类损失也是惊人的•据统计，约有80％损坏的机件是因磨损而报废的•表面损伤失效：表面损伤失效：可分为磨损失效磨损失效、腐蚀失效腐蚀失效失效的方式10失效分析的模式和机理•主要是按失效模式和失效机理分类   失效模式：失效模式：指失效的外在宏观表现形式和规律——材料工程 失效机理失效机理：指引起失效的微观的物理化学变化过程和本质——材料科学•两者相结合：两者相结合：可实现宏观与微观相结合、由表及里地揭示失效物理化学本质和过程，找出失效原因，改善材料的使用性能，提高零部件的使用寿命和服役过程中的安全系数。

11失效分析的方法•1 1、背景分析、背景分析——了解失效零件的材质、制备工艺、应用背景、使用环境，最好能到现场观察其使用情况•2 2、、审查设计审查设计——如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素•3、材料分析、材料分析——如如材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等•4、加工制造过程分析、加工制造过程分析——如如铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等•5、使用及维护情况分析、使用及维护情况分析——如如超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等 12失效分析的方法•失效分析的方法•宏观分析宏观分析：通过宏观手段和测试方法（如断口宏观分析、成分分析、侵蚀、无损检测、性能测试等）初步确定失效的类型（腐蚀、磨损、疲劳等），初步判断失效的原因•微观分析微观分析：通过材料微观特征的分析（SEM、TEM、XRD、OM等），结合宏观分析确定材料失效的具体原因，并给出结论和改进方案。

1317 失效分析的步骤失效分析的步骤 l、现场调查、现场调查 （（1）保护现场）保护现场 （（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程）查明事故发生的时间、地点及失效过程 （（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口 （（4）选取进一步分析的试样，选取进一步分析的试样， （（5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况 （（6）写出现场调查报告写出现场调查报告 14182收集背景材料收集背景材料 （（1）设备的自然情况）设备的自然情况 （（2）设备的运行记录）设备的运行记录 （（3）设备的维修历史情况）设备的维修历史情况 （（4）设备的失效历史情况）设备的失效历史情况 （（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用 维护说明书维护说明书 （（6）材料选择及其依据）材料选择及其依据 （（7）设备主要零部件的生产流程）设备主要零部件的生产流程 （（8）质量检验报告及有关的规范和标准）质量检验报告及有关的规范和标准 15193技术参量复验技术参量复验 （（1）材料的化学成分）材料的化学成分 （（2）材料的金相组织及硬度）材料的金相组织及硬度 （（3）常规力学性能）常规力学性能 （（4）主要零部件的几何参量及装配间隙）主要零部件的几何参量及装配间隙16204．深入分析研究．深入分析研究 （（1））失失效效产产品品的的直直观观检检查查（（变变形形。

损损伤伤情情况况，，裂纹扩展，断裂源）裂纹扩展，断裂源） （（2））断断口口的的宏宏观观分分析析及及微微观观形形貌貌分分析析（（多多用用扫扫描电镜）描电镜） （（3））无无损损探探伤伤检检查查（（涡涡流流、、着着色色、、磁磁粉粉、、同同位位素、素、X射线、超声波等）射线、超声波等） （（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱））表面及界面成分分析（俄歇能谱） （（5））局局部部或或微微区区成成分分分分析析（（辉辉光光光光谱谱、、能能谱谱、、电子探针）电子探针） （（6）相结构分析（）相结构分析（X射线衍射法）射线衍射法） （（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核1721 5 综合分析归纳，推理判断提出初步结论综合分析归纳，推理判断提出初步结论 根根据据失失效效现现场场获获得得的的信信息息、、背背景景材材料料及及各各种种实实测测数数据据，，运运用用材材料料学学、、机机械械学学、、管管理理学学及及统统计计学学等等方方面面的的知知识识，，进进行行综综合合归归纳纳、、推推理理判判断断、、分分析析后后，，初初步步确确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。

定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施6．重现性试验或证明试验重大事件．重现性试验或证明试验重大事件7．撰写失效分析报告．撰写失效分析报告 失失效效分分析析报报告告与与科科学学研研究究报报告告相相比比较较，，除除了了在在应应写写得得条条理理清清晰晰、、简简明明扼扼要要、、合合乎乎逻逻辑辑方方面面相相同同外外，，二二者者在在格格式式和和侧侧重重点点等等许许多多方方面面都都有有所所不不同同失失效效分分析析侧侧重重于于失失效效增增况况的的调调查查、、取取证证和和验验证证，，在在此此基基础础上上通通过过综综合合归归纳纳得得出出结结论论、、而而不不着着重重探探讨讨失失效效机机理理，，这这就就有有别于断裂机理的研究报告别于断裂机理的研究报告18失效分析报告通常应包括的内容失效分析报告通常应包括的内容 （（1））概概述述 首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等 （（2））失失效效事事件件的的调调查查结结果果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。

1922失效分析报告通常应包括的内容失效分析报告通常应包括的内容 （（3））分分析析结结果果 为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的 （（4））问问题题讨讨论论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论 （（5））结结论论与与建建议议 结论要准确，建议要具体、切实可行写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等20范例范例1 发电机转轴断裂失效分析发电机转轴断裂失效分析   1. 概括：         发电机在进行整机耐久性试验至600多小时时，转轴发生断裂试验条件是在不同的工作时间段内，随转速变化，载荷同时变化技术要求其试验寿命为2000h图1是试验台试验装置，中心区为残留在试验机上的断轴转轴材料为45号钢，其加工流程：落料→调质→机加工→装配21       图1　试验台断裂后状态  图2　断裂部位在退刀槽相交处图3　断口宏观形貌222　理化检验　理化检验2.1　宏观检验　宏观检验•转轴断裂部位位于Φ14mm的退刀槽处，见图2，其断口宏观形貌见图3。

它具有以下特征：①断口平坦，疲劳面积大，占断面90%以上瞬断区面积小，被疲劳区包围，位于中心偏一侧，见图3箭头所示②沿转轴退刀槽底部周向有许多疲劳源，并有许多细小的径向台阶23•     根据上述宏观特征基本上可判断转轴属于低载荷下，在尖缺口高应力集中条件下的旋转弯曲疲劳断裂•2.2　化学成分分析　化学成分分析•       在转轴的Φ14mm断口附近取样，在光谱上进行化学成分分析(质量分数)，结果列于表1由此可见，该轴的化学成分符合GB/T699-1999标准中45号钢的技术要求242.3　硬度检验　硬度检验•     技术要求调质硬度为23～28HRC在断轴附近分别进行表面和心部洛氏硬度测试，结果见表2，表面硬度符合要求，而心部硬度有部分值略低于标准25•2.4　金相检验　金相检验•   在转轴裂纹附近取样，按金相分析的要求进行抛光和侵蚀(4%硝酸酒精溶液)图4表明其显微组织为回火索氏体加少量块状铁素体图4　金相组织　500×262.5　电镜分析　电镜分析•    扫描电镜下观察，在断口裂源处沿加工槽底部周向有多处疲劳源，萌生于退刀槽底部，见图5a，图5b为图5a的局部放大，可观察到疲劳源起始于沟槽底部由于切削留下的尖角特征。

图5a图5b27•疲劳扩展区具有疲劳辉纹，见图6瞬断区为韧窝状，见图7图6图7283　分析与讨论　分析与讨论•       从发电机的试验状况看，该转轴处于旋转条件下；由断口宏观形貌分析可知，转轴属于尖缺口应力集中条件下发生的旋转弯曲疲劳断裂通常机械零件由于使用、装配及加工制造工艺的需要，零件设计常带有台阶、拐角、键槽和退刀槽等，这些部位都不同程度的存在应力集中现象，从而较容易导致在低载荷下，即当工作应力低于材料的疲劳极限时发生早期疲劳断裂29•此发电机转轴由于机加工不当，使退刀槽底部多处存在着呈锯齿状的尖角，从图5中清楚地观察到，沿断口周边有多处疲劳源点，即切削留下的尖角将成为严重的应力集中区有关文献以45钢(材料与失效轴相同)光滑试样为例进行了研究，材料的抗拉强度极限σb=720MPa，疲劳强度σ-1=310MPa，若将该材料制成有深为0.3mm的周缺口，缺口前沿圆角R=0.3mm的缺口疲劳试样，则缺口的拉伸强度极限σbN=790MPa，缺口疲劳强度极限为σ-1N=190MPa30•可见由于缺口引起的应力集中，会明显降低疲劳强度如果说圆角缺口试样疲劳强度降低，那么带有尖角的零件则更易引起失效。

•此外，从金相组织来分析，由于热处理加热时没有全部达到奥氏体温度，使加热之前原始组织中的铁素体尚未充分溶解，在淬火冷却时被保留下来，其形态以块状为主这些铁素体的存在，使转轴的强度降低，加快了转轴的失效31•4　结论　结论•发电机转轴的早期失效，一方面因制造过程机加工不当形成刀痕、尖角，使之在交变载荷作用下，发生早期疲劳断裂；另一方面，调质热处理组织中存在的少量块状铁素体使轴的力学性能下降，也是加快转轴早期失效的另一原因32•5　建议和整改措施　建议和整改措施•(1) 转轴在机加工时，应加强工序控制，如增加检验频次等•(2) 进行热处理工艺验证，主要考虑调质淬火温度、保温时间，以及装炉量等，以此来改善金相组织，提高转轴的力学性能• •　范例结束 33范例范例2. 钢轨断裂原因分析钢轨断裂原因分析•1. 情况简介•2001年7月，在黔2桂线K9+595m处一钢轨突然发生横向断裂该钢轨为U71Mn60kg/m，25m螺栓孔定尺轨，于1999年12月铺设路上使用至断裂共服役19个月，断裂位置距轨端2182m为查明钢轨断裂原因，在钢轨断裂处取样进行检验分析•2　理化检验•2.1　化学成分分析•钢轨成分(w%)为：C0.72，Si0.24，Mn1.17，P0.019和S0.025。

342.2　宏观断口分析　宏观断口分析•观察钢轨断口，钢轨属于横向脆性断裂钢轨轨底一侧轨脚有一长29mm，深度穿透轨底的外伤缺陷，断裂源在该外伤缺陷靠近轨底面区域处断裂裂纹走向从外伤缺陷处的裂纹源开始往轨腰、轨头呈放射状发展，断口形貌为快速断裂特征从断口上可见轨头有明显的热处理特征钢轨断口形貌见图1和图2图1图2352.3　微观检验　微观检验•在外伤缺陷的裂纹源区取样进行电镜和金相组织观察裂纹源区为解理断口，未见疲劳裂纹特征，见图3裂纹源区由表至里的显微组织为马氏体+莱氏体→马氏体+残余奥氏体→珠光体马氏体和莱氏体组织层深度达3.0mm，组织形态见图4和图5图4中的白色弧形带为马氏体+残余奥氏体，是由冷却条件造成的对轨头横截面进行硬度测定，结果示于图6，表明轨头已经过了全长热处理图336图4/5　断裂源区光学显微组织(马氏体+残余奥氏体)　400×  图6　轨头横截面硬度分布(HRC，硬度值间距4mm)373　断裂原因分析　断裂原因分析•上述检验结果表明，钢轨断裂裂源在轨底一侧的轨脚外伤缺陷处近轨底面区域，裂纹源区未发现疲劳裂纹特征，钢轨属于脆性快速断裂；裂源区的表层为马氏体+莱氏体组织，而马氏体和莱氏体组织为硬而脆的非正常组织。

由此可见，钢轨的断裂是由外伤缺陷区域中的马氏体和莱氏体组织造成的38•因为在马氏体相变过程中，过饱和的碳引起α铁体心立方晶格的畸变，形成较大的残余应力这种较大的残余应力使马氏体组织易出现微裂纹，形成裂纹源•在行车过程中，钢轨处于三点弯曲状态，轨底是拉应力，而且外伤缺陷有棱角，造成应力集中因此在残余应力和列车通过时产生的较大外力的综合作用下，促使钢轨外伤缺陷中的马氏体、莱氏体组织产生微裂纹，形成裂纹源•由于钢轨韧性值不太高，抗裂纹失稳扩展能力相对较低，所以一旦产生微裂纹，就会迅速扩展导致钢轨发生脆性断裂断口则表现为图3的解理形貌394　外伤缺陷产生原因　外伤缺陷产生原因•根据钢轨的生产工序，钢轨经生产、加工后，对其严格检查，符合一级品标准的钢轨直接入成品库，然后装车发货钢轨硬度为25～28HRC而断裂钢轨轨头硬度最高达39HRC(图6)，且轨头踏面硬化层深度达12mm，表明钢轨经过了全长热处理钢轨的外伤缺陷及断裂位置是在距轨端2.82m处，此位置正好是钢轨运输过程中在平板车上的第二道钢筋捆绑位置(规定第二道钢筋捆绑位置距轨端2.8～3.0m)40•钢轨正常的组织为珠光体，但钢轨外伤缺陷表层出现了马氏体和莱氏体组织。

马氏体是由奥氏体快速冷却而转变的组织，莱氏体是一种含碳量较高(4.3%C)的共晶铸态组织，这两种组织的存在说明是在乙炔火焰的高温状态下形成的因乙炔(C2H2)中含有大量的碳，用乙炔火焰切割钢轨才能使被切割面具有增碳的条件而出现莱氏体组织41•钢轨被乙炔火焰切割时，靠切割面的金属为液体，并出现碳的富集区，里层为奥氏体停止切割后在环境温度和钢轨基体温度的影响下切割面快速冷却，形成了由表至里的马氏体+莱氏体→马氏体+残余奥氏体→珠光体的组织结构特征•由此分析认为，钢轨的外伤缺陷是在卸车时用乙炔火焰枪切割捆绑钢轨的钢筋时误伤钢轨而造成的425　结语及建议　结语及建议(1)造成该钢轨断裂的原因是钢轨一侧轨脚的外伤缺陷及其马氏体和莱氏体组织•(2)钢轨的外伤缺陷是被乙炔火焰误切割造成的•(3)加强钢轨的质量管理，防止对钢轨造成外伤缺陷对有外伤缺陷的钢轨不得铺设路上，对线路上使用的钢轨应加强巡查，发现有缺陷的钢轨及时进行更换•范例结束43综合实验设计•结合自己毕业论文的题目•设计出实验方案，并说明理由•给出论文的写作提纲，并说明合理性。