Анализ металлургических отказов

Анализ металлургических отказов – это процесс определения механизма, вызвавшего выход металлического компонента из строя . Он может определить причину сбоя, давая представление об основной причине и возможных решениях для предотвращения подобных сбоев в будущем, а также о виновности, что важно в юридических делах. ^[1] Устранение причины металлургических сбоев может представлять финансовый интерес для компаний. Ежегодные затраты на коррозию (частую причину металлургических неудач) в Соединенных Штатах оценивались NACE International в 2012 году в 450 миллиардов долларов в год, что на 67% больше по сравнению с оценками 2001 года. ^[1] Эти сбои можно проанализировать, чтобы определить их первопричину, устранение которой позволит снизить стоимость сбоев для компаний.

В общих чертах отказ можно разделить на функциональный отказ и ожидаемый отказ производительности. Функциональный сбой возникает, когда компонент или процесс выходит из строя, и вся его родительская система полностью перестает функционировать. компонента В эту категорию входит распространенное представление о быстром разрушении . Ожидаемые сбои в работе — это когда компонент приводит к тому, что система работает ниже определенного критерия производительности, такого как ожидаемый срок службы, эксплуатационные ограничения или форма и цвет. Некоторые критерии производительности документируются поставщиком, например, максимально допустимая нагрузка на трактор, тогда как другие подразумеваются или ожидаются клиентом, например расход бензина ( миль на галлон для автомобилей). ^[1]

Часто сочетание условий окружающей среды и стресса приводит к неудаче. Металлические компоненты спроектированы так, чтобы противостоять окружающей среде и нагрузкам, которым они будут подвергаться. Проектирование металлического компонента включает в себя не только определенный элементный состав, но и определенный производственный процесс, такой как термообработка, процессы механической обработки и т. д. Все получаемые в результате огромные массивы различных металлов обладают уникальными физическими свойствами. Металлическим компонентам придаются особые свойства, чтобы сделать их более устойчивыми к различным условиям окружающей среды. Эти различия в физических свойствах будут демонстрировать уникальные виды отказов. Анализ металлургических отказов учитывает как можно больше этой информации во время анализа. Конечная цель анализа отказов — обеспечить определение основной причины и решение любых основных проблем для предотвращения будущих сбоев. ^[2]

Расследование сбоев

Первым шагом в анализе ошибок является исследование ошибок при сборе информации. Последовательность действий по сбору информации при расследовании отказа такова: ^[1]^[3]

Сбор информации об обстоятельствах аварии и отбор образцов.
Предварительный осмотр вышедшей из строя детали (визуальный осмотр) и сравнение с исправными деталями.
Макроскопическое исследование и анализ, а также фотографическое документирование образцов ( поверхности изломов , вторичные трещины и другие поверхностные явления)
Микроскопическое исследование и анализ образцов (поверхностей излома)
Подбор и подготовка металлографических шлифов
Микроскопическое исследование и анализ подготовленных металлографических образцов.
Неразрушающий контроль
Разрушающее/механическое испытание
Определение механизма отказа
Химический анализ (объемная, локальная, поверхностная коррозия, отложения или покрытия)
Определите все возможные первопричины
Тестирование наиболее вероятных основных причин в смоделированных условиях эксплуатации.
Анализ всех доказательств, формулирование выводов и написание отчета, включая рекомендации.

Используемые методы

В процессе исследования анализа металлургических отказов используются различные методы. ^[1]^[3]

Макроскопическое исследование: фотоаппарат , стереоскоп.
Микроскопическое исследование: световая микроскопия , электронная микроскопия , рентгеновская микроскопия , металлографическое травление.
Механические испытания: испытание на твердость , испытание на растяжение , испытание на удар по Шарпи.
Химические испытания: микрозондовый анализ, энергодисперсионная спектроскопия.

Неразрушающий контроль . Неразрушающий контроль — это метод испытаний, который позволяет проверять определенные физические свойства металла без полного вывода образцов из эксплуатации. Неразрушающий контроль обычно используется для обнаружения сбоев в компонентах до того, как компонент выйдет из строя.

Разрушающий контроль : Разрушающий контроль включает в себя вывод металлического компонента из эксплуатации и разделение компонента на секции для анализа. Разрушающее тестирование дает аналитику отказов возможность проводить анализ в лабораторных условиях и выполнять испытания материала, которые в конечном итоге разрушат компонент.

Виды металлургических отказов

Не существует стандартизированного списка видов металлургических отказов , и разные металлурги могут использовать разные названия для одного и того же вида отказа. Условия режима отказа, перечисленные ниже, приняты ASTM . ^[4] АСМ , ^[5] и/или КДЕС ^[6] как отдельные механизмы металлургического разрушения.

Вызвано коррозией и стрессом

Коррозионное растрескивание под напряжением ^[7] Коррозия под напряжением (термин NACE)
Коррозионная усталость
Каустическое растрескивание (термин ASTM)
Едкое охрупчивание (термин ASM)
Сульфидное растрескивание под напряжением (ASM, термин NACE)
Коррозия, ускоренная под напряжением (термин NACE)
Водородное растрескивание под напряжением (термин ASM)
Коррозионное растрескивание под напряжением под действием водорода (термин ASM)

Вызвано стрессом

Усталость (ASTM, термин ASM)
Механическая перегрузка
Слизняк
Разрыв
Крекинг (термин NACE)
охрупчивание

Вызвано коррозией

Эрозионная коррозия
Питтинговая коррозия Кислородная питтинговая коррозия
Водородное охрупчивание
Водородное растрескивание (термин ASM)
Коррозионное охрупчивание (термин ASM)
Распад водорода (термин NACE)
Водородный крекинг (термин ASM)
Вздутие водорода
Коррозия

Потенциальные основные причины

Потенциальные коренные причины металлургических отказов огромны и охватывают жизненный цикл компонента от проектирования до производства и использования. Наиболее распространенные причины поломок можно разделить на следующие категории: ^[1]

Условия обслуживания или эксплуатации

Отказы, вызванные условиями обслуживания или эксплуатации, включают использование компонента в непредусмотренных условиях, например, из-за ударной силы или высокой нагрузки. Сюда также могут относиться сбои из-за неожиданных условий использования, таких как неожиданная точка контакта, вызывающая износ и истирание, или неожиданный уровень влажности или присутствие химикатов, вызывающее коррозию. Эти факторы приводят к тому, что компонент выходит из строя раньше, чем ожидалось.

Неправильное обслуживание

Неправильное техническое обслуживание может привести к тому, что потенциальные источники разрушения останутся без лечения, что приведет к преждевременному выходу компонента из строя в будущем. Причина неправильного обслуживания может быть либо преднамеренной, например, пропуск ежегодного технического обслуживания во избежание затрат, либо непреднамеренной, например, использование неправильного моторного масла.

Неправильное тестирование или проверка

Испытания и/или проверки обычно включаются в линии по производству компонентов для проверки соответствия продукта определенному набору стандартов и обеспечения желаемых характеристик в полевых условиях. Неправильное тестирование или проверка могут обойти эти проверки качества и могут привести к тому, что деталь с дефектом, который обычно лишает компонента возможности использовать его в полевых условиях, будет продана покупателю, что потенциально может привести к отказу.

Ошибки при изготовлении или производстве

Производственные ошибки или ошибки изготовления возникают во время обработки материала или компонента. Для металлических деталей литья распространены дефекты , такие как холодный затвор, горячие надрывы или шлаковые включения. Это также могут быть проблемы с обработкой поверхности, параметрами обработки, такими как утрамбовка песчаной формы или неправильная температура во время закалки.

Ошибки проектирования

Ошибки проектирования возникают, когда желаемый вариант использования не был должным образом учтен, что приводит к неэффективному проектированию, например, из-за напряженного состояния при эксплуатации или потенциальных коррозионных агентов в среде обслуживания. Ошибки проектирования часто включают в себя определение размеров и выбор материалов, но это также может быть и весь проект.

Использование вычислительных методов для анализа отказов

Вычислительные методы становятся все более популярными как метод проверки возможной причины, поскольку им не нужно жертвовать компонентом, чтобы доказать основную причину. Распространенными случаями использования вычислительных методов являются отказы из-за эрозии . ^[8]^[9] отказы компонентов в сложных напряженных состояниях, ^[10]^[11] и для прогнозного анализа. ^[12]^[13]^[14]^[15] Вычислительная гидродинамика используется для определения структуры потока и касательных напряжений на компоненте, вышедшем из строя из-за эрозионного износа. ^[8]^[9] Анализ методом конечных элементов используется для моделирования компонентов в сложных напряженных состояниях. ^[10]^[11] Анализ методом конечных элементов, а также модели фазового поля могут использоваться для прогнозирования распространения и разрушения трещин. ^[12]^[13]^[14]^[15] которые затем используются для предотвращения сбоев, влияя на конструкцию компонентов.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Деннис, Дэниел П. (15 января 2021 г.). «Как организовать и провести расследование сбоев» . Анализ и предотвращение отказов (PDF) . стр. 36–51. дои : 10.31399/asm.hb.v11.a0006755 . ISBN 978-1-62708-295-2 . S2CID 241618812 .
^ http://www.g2mtlabs.com/failure-anaанализ/what-is-failure-anaанализ/ G2MT Labs - «Что такое анализ отказов?»
^ Jump up to: ^а ^б Вулпи, Дональд Дж. (30 ноября 2013 г.). Миллер, Бретт (ред.). Понимание того, почему компоненты выходят из строя . дои : 10.31399/asm.tb.uhcf3.9781627082709 . ISBN 978-1-62708-270-9 .
^ «Стандартные условия, касающиеся коррозии и коррозионных испытаний» (G 15), Ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM, Филадельфия, Пенсильвания.
^ ASM-International Metals Handbook, девятое издание, Коррозия, ASM-International, Metals Park, Огайо
^ NACE-International Базовый курс NACE по коррозии, NACE-International, Хьюстон, Техас
^ M&M Engineering Conduit, осень 2007 г., «Хлоридная точечная коррозия и коррозионное растрескивание сплавов нержавеющей стали», «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2011 г. Проверено 20 августа 2010 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б Маджид, З.А.; Мохсин, Р.; Юсоф, МЗ (01 января 2012 г.). «Экспериментальный и расчетный анализ неисправностей газопроводных труб» . Инженерный анализ отказов . 19 : 32–42. doi : 10.1016/j.engfailanal.2011.09.004 . ISSN 1350-6307 .
^ Jump up to: ^а ^б Йи, Цзюньчжэнь; Ху, Хунсян; Чжэн, Югуй; Чжан, Ямин (01 декабря 2016 г.). «Экспериментальный и расчетный анализ неисправностей регулирующего клапана высокого давления на химическом заводе» . Инженерный анализ отказов . 70 : 188–199. doi : 10.1016/j.engfailanal.2016.07.015 . ISSN 1350-6307 .
^ Jump up to: ^а ^б Чжан, Цин; Цзо, Чжэнсин; Лю, Цзиньсян (01 декабря 2013 г.). «Анализ отказов головки блока цилиндров дизельного двигателя методом конечных элементов» . Инженерный анализ отказов . 34 : 51–58. doi : 10.1016/j.engfailanal.2013.07.023 . ISSN 1350-6307 .
^ Jump up to: ^а ^б Моради, С.; Ранджбар, К. (1 апреля 2009 г.). «Экспериментальный и расчетный анализ отказов бурильных колонн» . Инженерный анализ отказов . 16 (3): 923–933. doi : 10.1016/j.engfailanal.2008.08.019 . ISSN 1350-6307 .
^ Jump up to: ^а ^б Борст, Рене де; Гутьеррес, Мигель А.; Уэллс, Гарт Н.; Реммерс, Йорис Дж.К.; Аскес, Харм (7 мая 2004 г.). «Модели связных зон, теории континуума высшего порядка и методы надежности для вычислительного анализа отказов: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОТКАЗОВ» . Международный журнал численных методов в технике . 60 (1): 289–315. дои : 10.1002/nme.963 . S2CID 122765562 .
^ Jump up to: ^а ^б Лу, Мэнкай; Чжэн, Юнган; Ду, Цзянке; Чжан, Лян; Чжан, Хунву (01 марта 2022 г.). «Адаптивный многомасштабный метод конечных элементов для анализа локализации деформации с помощью теории континуума Коссера» . Европейский журнал механики – A/Solids . 92 : 104450. Бибкод : 2022EuJMA..9204450L . doi : 10.1016/j.eurotechsol.2021.104450 . ISSN 0997-7538 . S2CID 240317543 .
^ Jump up to: ^а ^б Танне, Э.; Ли, Т.; Бурден, Б.; Мариго, Ж.-Ж.; Маурини, К. (01 января 2018 г.). «Зарождение трещин в вариационных моделях фазового поля хрупкого разрушения» . Журнал механики и физики твердого тела . 110 : 80–99. Бибкод : 2018JMPSo.110...80T . дои : 10.1016/j.jmps.2017.09.006 . ISSN 0022-5096 . S2CID 20139734 .
^ Jump up to: ^а ^б Ортис, Майкл; Лерой, Ив; Нидлман, Алан (1 марта 1987 г.). «Метод конечных элементов для анализа локализованных отказов» . Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 61 (2): 189–214. Бибкод : 1987CMAME..61..189O . дои : 10.1016/0045-7825(87)90004-1 . ISSN 0045-7825 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Деннис, Дэниел П. (15 января 2021 г.). «Как организовать и провести расследование сбоев» . Анализ и предотвращение отказов (PDF) . стр. 36–51. дои : 10.31399/asm.hb.v11.a0006755 . ISBN 978-1-62708-295-2 . S2CID 241618812 .

[2] ttp://www.g2mtlabs.com/failure-anaанализ/what-is-failure-anaанализ/ G2MT Labs - «Что такое анализ отказов?»

[:1-3] Jump up to: ^а ^б Вулпи, Дональд Дж. (30 ноября 2013 г.). Миллер, Бретт (ред.). Понимание того, почему компоненты выходят из строя . дои : 10.31399/asm.tb.uhcf3.9781627082709 . ISBN 978-1-62708-270-9 .

[4] «Стандартные условия, касающиеся коррозии и коррозионных испытаний» (G 15), Ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM, Филадельфия, Пенсильвания.

[5] ASM-International Metals Handbook, девятое издание, Коррозия, ASM-International, Metals Park, Огайо

[6] NACE-International Базовый курс NACE по коррозии, NACE-International, Хьюстон, Техас

[7] M&M Engineering Conduit, осень 2007 г., «Хлоридная точечная коррозия и коррозионное растрескивание сплавов нержавеющей стали», «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2011 г. Проверено 20 августа 2010 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[:2-8] Jump up to: ^а ^б Маджид, З.А.; Мохсин, Р.; Юсоф, МЗ (01 января 2012 г.). «Экспериментальный и расчетный анализ неисправностей газопроводных труб» . Инженерный анализ отказов . 19 : 32–42. doi : 10.1016/j.engfailanal.2011.09.004 . ISSN 1350-6307 .

[:3-9] Jump up to: ^а ^б Йи, Цзюньчжэнь; Ху, Хунсян; Чжэн, Югуй; Чжан, Ямин (01 декабря 2016 г.). «Экспериментальный и расчетный анализ неисправностей регулирующего клапана высокого давления на химическом заводе» . Инженерный анализ отказов . 70 : 188–199. doi : 10.1016/j.engfailanal.2016.07.015 . ISSN 1350-6307 .

[:4-10] Jump up to: ^а ^б Чжан, Цин; Цзо, Чжэнсин; Лю, Цзиньсян (01 декабря 2013 г.). «Анализ отказов головки блока цилиндров дизельного двигателя методом конечных элементов» . Инженерный анализ отказов . 34 : 51–58. doi : 10.1016/j.engfailanal.2013.07.023 . ISSN 1350-6307 .

[:9-11] Jump up to: ^а ^б Моради, С.; Ранджбар, К. (1 апреля 2009 г.). «Экспериментальный и расчетный анализ отказов бурильных колонн» . Инженерный анализ отказов . 16 (3): 923–933. doi : 10.1016/j.engfailanal.2008.08.019 . ISSN 1350-6307 .

[:5-12] Jump up to: ^а ^б Борст, Рене де; Гутьеррес, Мигель А.; Уэллс, Гарт Н.; Реммерс, Йорис Дж.К.; Аскес, Харм (7 мая 2004 г.). «Модели связных зон, теории континуума высшего порядка и методы надежности для вычислительного анализа отказов: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОТКАЗОВ» . Международный журнал численных методов в технике . 60 (1): 289–315. дои : 10.1002/nme.963 . S2CID 122765562 .

[:6-13] Jump up to: ^а ^б Лу, Мэнкай; Чжэн, Юнган; Ду, Цзянке; Чжан, Лян; Чжан, Хунву (01 марта 2022 г.). «Адаптивный многомасштабный метод конечных элементов для анализа локализации деформации с помощью теории континуума Коссера» . Европейский журнал механики – A/Solids . 92 : 104450. Бибкод : 2022EuJMA..9204450L . doi : 10.1016/j.eurotechsol.2021.104450 . ISSN 0997-7538 . S2CID 240317543 .

[:7-14] Jump up to: ^а ^б Танне, Э.; Ли, Т.; Бурден, Б.; Мариго, Ж.-Ж.; Маурини, К. (01 января 2018 г.). «Зарождение трещин в вариационных моделях фазового поля хрупкого разрушения» . Журнал механики и физики твердого тела . 110 : 80–99. Бибкод : 2018JMPSo.110...80T . дои : 10.1016/j.jmps.2017.09.006 . ISSN 0022-5096 . S2CID 20139734 .

[:8-15] Jump up to: ^а ^б Ортис, Майкл; Лерой, Ив; Нидлман, Алан (1 марта 1987 г.). «Метод конечных элементов для анализа локализованных отказов» . Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 61 (2): 189–214. Бибкод : 1987CMAME..61..189O . дои : 10.1016/0045-7825(87)90004-1 . ISSN 0045-7825 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]