失效分析的思路和方法课件

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1、第四章 失效分析的思路和方法4.1、失效分析的常规思路失效分析的常规思路有三种思路：失效分析的常规思路有三种思路：1 1）以失效抗力指标为主线的失效分析思路）以失效抗力指标为主线的失效分析思路2 2）以制造过程为主线的失效分析思路）以制造过程为主线的失效分析思路3 3）以零件或设备为类别的失效分析思路）以零件或设备为类别的失效分析思路1.以失效抗力为主线的失效分析思路 零件的失效是由于其失效抗力与服役条件这一对矛盾的零件的失效是由于其失效抗力与服役条件这一对矛盾的因素相互作用的结果，当零件的失效抗力不能胜任服役条因素相互作用的结果，当零件的失效抗力不能胜任服役条件时，便造成了零件失效。件时，便

2、造成了零件失效。零件的服役条件主要包括载荷和环境两方面的因素零件的服役条件主要包括载荷和环境两方面的因素。而零件的失效抗力指标一方面决定于材料因素如成分、。而零件的失效抗力指标一方面决定于材料因素如成分、组织和状态等，一方面与零件的几何细节有关。组织和状态等，一方面与零件的几何细节有关。思路图分析思路要点1.1.对具体服役条件下的零件作具体分析，从中找出主要的失对具体服役条件下的零件作具体分析，从中找出主要的失效分析方式及主要失效抗力指标。效分析方式及主要失效抗力指标。2.2.运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入分析各种

3、失效现象的本质：主要失效抗力指标成果，深入分析各种失效现象的本质：主要失效抗力指标与材料成分、组织和状态的关系，提出改进措施。与材料成分、组织和状态的关系，提出改进措施。3.3.根据根据“不同服役条件要求材料强度与塑性、韧性的合理配不同服役条件要求材料强度与塑性、韧性的合理配合合”这一原则，分析研究失效零件现行的选材、用材技术这一原则，分析研究失效零件现行的选材、用材技术条件是否合理，是否受旧的传统学术观念的束缚。条件是否合理，是否受旧的传统学术观念的束缚。4.4.用局部复合强化，克服零件上的薄弱环节，争取达到材料用局部复合强化，克服零件上的薄弱环节，争取达到材料的等强度设计。的等强度设计。克

4、服失效措施的几个结合在进行失效分析和提出克服失效的措施时，还应做到几个结在进行失效分析和提出克服失效的措施时，还应做到几个结合合1.1.设计、选材和工艺相结合设计、选材和工艺相结合2.2.结构强度结构强度(力学计算、实验应力分析力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合与材料强度相结合3.3.宏观规律与微观机理相结合宏观规律与微观机理相结合(断口与组织分析断口与组织分析)4.4.实验室规律性试验研究与生产考验相结合实验室规律性试验研究与生产考验相结合2.以制造过程为主线的失效分析思路 任何零件都要经历设计、选材、热加工任何零件都要经历设计、选材、热加工(铸锻焊铸锻焊)、冷加工、热处理、精加工、装

5、配等工序，如果业、冷加工、热处理、精加工、装配等工序，如果业己已经确认零件失效纯属于制造过程中的问题，则己已经确认零件失效纯属于制造过程中的问题，则可对上述诸工序一一展开分析。找出失效分析的原可对上述诸工序一一展开分析。找出失效分析的原因，提出克服失效的措施。因，提出克服失效的措施。3.以零件或设备为类别的失效分析思路机械产品按其类别可分为机械产品按其类别可分为基础零件基础零件和和成套设备成套设备。对于同类零件或设备，尽管其功能各不相同，服役对于同类零件或设备，尽管其功能各不相同，服役条件也有很大差别，但在其工作性质上仍有诸多条件也有很大差别，但在其工作性质上仍有诸多相同或相通之处，因此其失效

6、形式以及造成失效相同或相通之处，因此其失效形式以及造成失效的因素也有相同或相通之处。的因素也有相同或相通之处。4.2 失效分析的系统工程思路与方法 系统工程是一门综合运用多种现代化科学技术的综合系统工程是一门综合运用多种现代化科学技术的综合性管理工程。系统工程的思路和方法是按照事物本身性管理工程。系统工程的思路和方法是按照事物本身的系统性，把所有要研究的问题都放进系统中加以考的系统性，把所有要研究的问题都放进系统中加以考察。对失效分析来说，就是把设备本身的各种破坏因察。对失效分析来说，就是把设备本身的各种破坏因素与环境因素和人为因素当作一个系统，再运用系统素与环境因素和人为因素当作一个系统，再

7、运用系统工程的分析方法来处理，最后得出失效原因。工程的分析方法来处理，最后得出失效原因。故障树分析法(Fault Tree Analysis)故障树分析法是用数理逻辑符号，把不希望发生的故障树分析法是用数理逻辑符号，把不希望发生的各种现象，沿其发生的经过而展开成树的形式，各种现象，沿其发生的经过而展开成树的形式，分析事故发生的途径、原因以及发生概率的方法分析事故发生的途径、原因以及发生概率的方法。实际上是从已发生的失效事故出发逆着失效发。实际上是从已发生的失效事故出发逆着失效发生的过程进行分析，是一个从结果到原因的所谓生的过程进行分析，是一个从结果到原因的所谓逆方向分析。逆方向分析。故障树可以

8、反映出系统中故障的内在联系，使人一故障树可以反映出系统中故障的内在联系，使人一目了然、形象地掌握这种联系并进行正确分析。目了然、形象地掌握这种联系并进行正确分析。所以建树时要注意一下几点：所以建树时要注意一下几点：1 1）为建好故障树，要选准建树流程，然后根据主）为建好故障树，要选准建树流程，然后根据主流程确定几个分枝流程确定几个分枝2 2）合理处理好系统及部件的边界条件）合理处理好系统及部件的边界条件3 3）对系统中各事件的逻辑关系和条件必须分析清）对系统中各事件的逻辑关系和条件必须分析清楚，不能有逻辑混乱和条件矛盾楚，不能有逻辑混乱和条件矛盾4 4）故障事件定义要准确，不能在）故障事件定义

9、要准确，不能在“树树”中造成逻中造成逻辑混乱和矛盾。辑混乱和矛盾。对于某个机械零件的失效，一般可以从以下四个方面去考虑分枝建树过程：1 1）结构设计上的问题）结构设计上的问题2 2）选材、加工工艺及材质上的问题）选材、加工工艺及材质上的问题3 3）装配上的问题）装配上的问题4 4）使用维护中的问题）使用维护中的问题在建树过程中和初步判断时，应遵循下列步骤：在建树过程中和初步判断时，应遵循下列步骤：1 1）调查收集原始资料）调查收集原始资料2 2）残骸分析）残骸分析3 3）通过模拟进行误差排除）通过模拟进行误差排除提出防止失效的措施故障树分析指出的是特定条件下发生失效的主要故障树分析指出的是特定

10、条件下发生失效的主要原因。例如设计不当或选材不当等。针对失效原因。例如设计不当或选材不当等。针对失效原因，采取措施可以防止再发生这类失效。所原因，采取措施可以防止再发生这类失效。所采取的措施不一定是针对造成失效的主要原因采取的措施不一定是针对造成失效的主要原因，而是根据实际生产条件采取的最有效并且经，而是根据实际生产条件采取的最有效并且经济的方法。济的方法。4.3 失效分析的程序和步骤失效分析的程序可简化为“问”、“望”、“闻”、“切”、“模”、“结”六个方面失效分析步骤1 1）调查研究收集原始背景材料）调查研究收集原始背景材料2 2）残骸拼凑分析与低倍宏观检查）残骸拼凑分析与低倍宏观检查3

11、3）零件失效部位应力分析计算，必要时用实验方法）零件失效部位应力分析计算，必要时用实验方法测定测定4 4）深入实验分析）深入实验分析5 5）综合分析找出失效的原因，提出防止和改进措施）综合分析找出失效的原因，提出防止和改进措施的建议的建议6 6）撰写失效分析报告）撰写失效分析报告4.4 失效分析的基本实验技术作为失效分析的手段，需要以下试验技术：作为失效分析的手段，需要以下试验技术：宏观和宏观和微观断口分析技术微观断口分析技术；金相检验技术金相检验技术；无损探伤检无损探伤检验技术验技术；常规成分、微区成分和表面成分分析技常规成分、微区成分和表面成分分析技术术；X X射线衍射分析技术射线衍射分析

12、技术；实验应力分析技术实验应力分析技术；力力学性能测试技术学性能测试技术；断裂力学测试技术断裂力学测试技术等。等。各个分析技术的特点1.1.宏观分析技术及用肉眼或放大宏观分析技术及用肉眼或放大5050倍以下的放大镜观察分析是失效分析倍以下的放大镜观察分析是失效分析的基础，可以确定损坏的起源，根据断口的宏观特征可以对加载方式的基础，可以确定损坏的起源，根据断口的宏观特征可以对加载方式、应力大小、材料的相对韧性与脆性等给以说明。、应力大小、材料的相对韧性与脆性等给以说明。2.2.借助体视显微镜的分析可以进一步帮助肉眼确认断裂源和裂纹走向，借助体视显微镜的分析可以进一步帮助肉眼确认断裂源和裂纹走向，

13、以及观察磨损或腐蚀的情况。以及观察磨损或腐蚀的情况。3.3.金相显微镜的分辨率低，景深小，不宜于作断口观察，但是可以通过金相显微镜的分辨率低，景深小，不宜于作断口观察，但是可以通过金相显微镜得到裂纹扩展的方式（穿晶或沿晶）金相显微镜得到裂纹扩展的方式（穿晶或沿晶）4.4.扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEM）适合做断口上的定点观察，可以观察深孔底部）适合做断口上的定点观察，可以观察深孔底部的形貌，对观察气孔、疏松、气蚀的底部情况是唯一较好的工具，适的形貌，对观察气孔、疏松、气蚀的底部情况是唯一较好的工具，适合作拉伸、弯曲、压痕、疲劳、刀具切削等动态形变过程的观察；当合作拉伸、弯曲、压痕

14、、疲劳、刀具切削等动态形变过程的观察；当备用高温、低温装置时，可观察金属与合金的相变过程和氧化过程。备用高温、低温装置时，可观察金属与合金的相变过程和氧化过程。扫描的不足之处是不能分辨颜色和不能定结构。扫描的不足之处是不能分辨颜色和不能定结构。5.5.透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEMTEM）分辨率高，能区别扫描电镜不易区分的形貌细）分辨率高，能区别扫描电镜不易区分的形貌细节，能确定第二相的结构，如果配有能谱，还能测定第二相的成分。节，能确定第二相的结构，如果配有能谱，还能测定第二相的成分。6.6.电子探针（电子探针（EPEP）主要的特点是能测量几立方微米体积内材料的化学成）主要的特点是能

15、测量几立方微米体积内材料的化学成分，如测量细小的夹杂物或第二相的成分，检测晶界或晶界附近与晶分，如测量细小的夹杂物或第二相的成分，检测晶界或晶界附近与晶内相比有无元素富集或贫化。但是不能代替常规的化学分析方法确定内相比有无元素富集或贫化。但是不能代替常规的化学分析方法确定总体含量的平均成分，不能做总体含量的平均成分，不能做H H、HeHe、LiLi三元素的分析三元素的分析7.7.俄歇能谱仪（俄歇能谱仪（AEMAEM）是进行薄层表面分析的重要工具，用它）是进行薄层表面分析的重要工具，用它来分析来分析Li,Be,B,C,N,OLi,Be,B,C,N,O时的灵敏度比电子探针高很多，但不时的灵敏度比电

16、子探针高很多，但不能测定能测定H H和和He.He.8.X8.X射线分析可以确定断口上的腐蚀产物、析出相或表面沉积射线分析可以确定断口上的腐蚀产物、析出相或表面沉积物，它一次可获得多种结构和成分物，它一次可获得多种结构和成分9.9.力学性能试验：做拉伸，冲击试验是为了测定失效材料的力学性能试验：做拉伸，冲击试验是为了测定失效材料的常规力学性能，检验材料的力学性能参量是否达到设计计常规力学性能，检验材料的力学性能参量是否达到设计计算得要求。对于钢材来说，在不解剖零件的前提下，通过算得要求。对于钢材来说，在不解剖零件的前提下，通过测量硬度可以获得下列信息：帮助估计热处理工艺是否存测量硬度可以获得下列信息：帮助估计热处理工艺是否存在偏差；估计材料拉伸强度的近似值；检验加工硬化或由在偏差；估计材料拉伸强度的近似值；检验加工硬化或由于过热、脱碳或渗碳、渗氮所引起的软化或硬化。于过热、脱碳或渗碳、渗氮所引起的软化或硬化。10.10.断裂力学测试与分析包括材料断裂韧度测试、模拟介质条断裂力学测试与分析包括材料断裂韧度测试、模拟介质条件下的应力腐蚀以及模拟疲劳条件下的裂纹扩展参数测试件下的应力腐蚀以及模拟疲劳条件下的裂纹扩展参数测试