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1失效分析概要失效分析培训班用2007年11月2前言江苏省机械研究所于2007年12月举办一个三天半的失效分析培训班，本教材即为该培训班而准备的，本教材由东南大学材料科学与工程学院孔宪中编写，部分文字内容参考金属所的金属断裂失效分析一书。我们知道，进行失效分析，是1，找出事故原因，分清责任所属，依法进行索赔，挽回经济损失。2，找出经验教训，避免同类事故，改进制造水平，定立新的工艺。3，提供有关资料，促进法治建设，减少资金浪费，加快建设速度。4，产生新型学科，提升科技水平，增强国家实力，节约资源成本这四方面所必需的，这次失效分析培训班主要介绍如何进行失效分析，大致内容有1．失效分析的几种分析思路：按：根据失效分类的分析思路根据设备或部件工作状况的分析思路根据制造工艺和部件类别的分析思路2．失效分析的分析程序1），现场调查2），观察，检测和检验3），分析及验证，作分析结论，4），提出报告，建议，及回访3．失效分析程序的实施1）设计分析程序和实施步骤2）失效部件的直观检验过程3）断裂源的确定4）断裂机制的确定，5）取样及编号6）检测和检验7）信息的纵综合，归纳，分析，得出初步结论8）结论的验证，写出报告，提出建议，4，常用的失效分析技术1）金属的显微断口分析2）金属及部件的疲劳失效分析3）腐蚀疲劳失效分析及应力腐蚀失效分析4）氢脆失效分析5）高温失效分析6）焊接失效分析5．常见部件的失效分析案例1）轮类用齿轮，叶轮，螺杆，轮箍各选一例2）轴类用曲轴，摇杆轴，前轴，连杆各选一例3）管道类用管道，导管方面选二例4）基础件类用轴承，弹簧，模具方面选三例通过培训班学习，使参加者获得一定的失效分析素养，能具备一定的失效分析能力，有一定程度的失效分析技术，接触一定数量的失效分析案例，便于开展失效分析工作。3一失效的定义凡机械设备或装置零件，只要不再能满足设计规定的功能者，统称“失效”。一般有三种情况：即1，产生损害，不能继续使用。2，具备产生损害的危险，不能继续使用。3，产生损伤，不能继续按要求使用。凡产生这三种情况之一，即称为产生失效，（每种各举1例）如：设备不能正常运转；或者虽然能运转但达不到设计规定的功能；或者因受损伤不能安全可靠地继续服役，需要立即更换零件或修理。二，失效分析的目的和重要性1．找出事故原因，分清责任所属，依法进行索赔，挽回经济损失。特别是有关进口商品。（举例）2．找出经验教训，避免同类事故，改进制造水平，定立新的工艺。（举吉林市石油液化气贮罐爆裂之例）3．提供有关资料，促进法治建设，减少资金浪费，加快建设速度。（举零部件失效为例）4．产生新型学科，提升科技水平，增强国家实力，节约资源成本，（举疲劳及氢脆为例）失效分析的主要目的是要找出引起失效的原因，经过采取有效措施，使同样失效不致再次发生。因为灾难性的失效不仅经济损失很大，而且还造成严重的人身伤亡。世界上工业发达的国家，每年由于失效(断裂，腐蚀和磨损)造成的济济损失占国民经济总收入一个很大的比重。以美国为例：1982年断裂造成的损失达1190亿美元，可以避免的占53%(631亿)，通过失效分析研究后可避免的占47%(559亿)。这还没有包括间接的济济损失和人身伤亡的统计。失效分析的重要性，概括地说表现在以下十个方面：1.避免事故重演，挽回巨额的济济损失；2.可以引出大量的经验和教训，为改进设计制造工艺和使用法规提供科学依据；3.对进口设备的失效分析，可为向外商索赔提供可靠证据或技术仲裁；4.促进“吃透”先进技术和提高技术引进的质量和效率；5.失效分析结果是修订或制订现行技术规范、规程、标准和法规的重要依据；6.维修工以失效分析为基础能收到良好的效果；7.失效分析结论和技术知识常常是制订各种济济法(如产品质量法、安全法、责任法等)的必要资料；8.失效分析的统计资料是制订科技开发规划和济济发展规划的重要依据之一：9.可为各级技术指挥员正确处理现场技术问题提供决断性的科学依据。10.失效分析结果可分为公安侦破提供重要线索。在生产厂中进行质量分析(或废品分析)可收到以下五点好处：1.缩短研制新品的周期；2.使老产品的质量得到迅速地改进；3.有利分清责任、加强责任制，保护用户的济济利益；4.有利于开展材料代用和材料的合理使用；45.为制订合理的工艺要求、金相标准等提供依据。国际上失效分析开展的情况：德国：是开展失效分析最好的国家，有一百多年失效分析的历史记载，有完整的失效分析体系及制度和设备，其产品性能得益也最大。其后是美国，日本，等等。介绍各国大致情况。我国失效分析开展的情况由于我国工业发展历史短，失效分析刚起步，目前进入机器设备失效的高峰期，失效分析任重道远三失效分析的内容失效分析的内容很多，只针对失效的直接原因进行分析的，即所谓狭义的失效分析，如果把管理的因素也包括在内，即为广义的失效分析。狭义的失效分析按失效现象出现的前或后进行的分析。又划分为三种：事前分析、事中分析和事后分析。我们常说的失效分析多指事后的失效分析。失效学是一学科，是以许多学科和技术作为它的基础建立起来的一门新的多边缘学科，通过它的分析结果，又为其它学科或技术提供新的反馈资料来促进它们的发展，失效学和许多学科和技术之间提供“营养”或依据，而且互为提供营养或依据，如断口学是失效分析的重要支柱和基础，而失效分析中的某些结果又能丰富断口学的内容，并推动其发展。如氢脆和应力腐蚀的区分，动态应力腐蚀和腐蚀疲劳的区分，都是通过实际事例的分析来促进其发展。又如机械设计的知识，能促进分析的效率和水平，而失效分析结果是属设计问题的，多次反馈能提高设计师的可靠性设计水平。其它的也是如此。四、失效分析的思想方法所谓失效分析的思路，就是对具体失效问题要有一个比较深刻周到的思考方法。要求它所确定的程序和步骤，既严密又不繁锁，既高效率又无遗漏．保证分析出发点正确，不导致错误结论。因此，在思想方法上要求遵守并能正确运用正确的思想方法，1。五个基本原则(1)整体观念原则失效分析工作者在分析失效问题时，始终都要树立牢固的“整体”观念。因为一套设备在运转中某个部件失效引起“停车”，它有这样一些联系：它与邻近别的部件有关，它和周围环境的条件或状态有关，它和操作人员的使用情况有关。因此，一旦失效就要把设备―环境－人当作一个系统来考虑。尽可能分析设备能出哪些问题，环境能造成哪些问题，人为因素能导致哪些问题，然后根据调查资料检验结果，采取“消去法”，把不成为问题的问题逐个审查消去，剩余问题再细微分析研究。如果孤立地对待失效部件，或局限于某一环境，往往对问题得不到解决。例如，某工厂生产的继电器，春天存放进仓库到秋天就发现大批继电器的弹簧片发生沿晶界断裂，经失效分析定是氨引起的应力腐蚀开裂，但仓库里从来没有存放过能释放氨气的化学物质，因此，分析结论中的腐蚀介质还得不到证实。问题出在什么地方呢？就出在把系统局限于仓库这个小环境。后来查明，在仓库大门南面附近的田野里有一个大鸡粪堆，是鸡粪放出的氨气经春、夏的南风送进仓库，提供了应力腐蚀必要的介质，引起了损坏。如果不和更广的环境联起来，就得不出可靠的结论来。（2）从现象到本质的原则现象只是分析问题入门的响导，要找到产生现象的原因，即失效的本质问题，才能解决失效问题。例如一个断裂件，承受交变载荷，在断口上有清晰5的贝壳花样，很容易得出疲劳断裂的结论。但是，这仅仅是一个现象的论断，而不是失效本质的结论。因为只要再提一问题：应如何改善？就回答不上了。因为这没有抓住这一失效的本质。导致疲劳失效的原因很多，常见的不下于40个。因此在失效分析中不满足于找到断裂或失效机制，更重要的找到原因的证实材料。才有助于解决问题。（3.）动态原则这里是指设备或部件对周围的环境或条件或位置，总在那里作相对运动，部件在服役中是如此，就是存放在仓库里也如此。例如，一个部件的受力条件，环境的温度，湿度和介质这些外部条件的变化，以及部件本身的某些元素或氢有无随时间偏聚的内在变化，基至操作人员的变动，都应包括在这一原则中。上述继电器例子就是由于环境介质的变化。（4）一分为二原则这个认识论的原则用于失效分析，常指对进口设备不要盲目以为没有缺点，而大量的事实表明，我国引进的设备不少失效原因是属于设计、用材、造制工艺或漏检。找出原因取得索赔，并把这些结果反馈给有关设计部门，又可提高我们的设计水平和制造水平。（5）纵横交汇原则既然客观事物总是在不同的时、空范围内变化，那么同一设备在不同的服役阶段、不同环境，就具不同性质或待点。所有机电设备的失效都服从“浴盆曲线”即在服役初期和后期最易出现失效，但在中期失效率相对地低得多。这是从设备本身来看的待点。另外，同一温度、介质或外界强迫振动，在服役不同阶段的介入所起的作用也是不同的。2。五种具体方法（1）系统方法系统方法又称相关性方法，就是把失效类型、失效模式、断口形貌待征、服役条件、材质情况、制造工艺水平和过程，使用和维护情况等放在一个研究系统中，是从总体上加以考虑的方法，看失效原因是否与设计、材质、制造、使用、维护等有关，并据此深入测试分析（包括模拟或失效重现试验），寻找具体失效原因，本方法的前提和出发点整体性原则，基本特点是：从一般到个别，从普遍到待殊，从单项分析到综合联系和一致上找原因，这就是要求尽可能地搜集与全局性有关的资料和测试信息，从而确定分析系统的范围，范围太大就浪费时间、精力和费用；如范围太小，问题提得不全，又会使分析带有片面性。（2）抓主要矛盾方法就是抓失效中起主要作用的因素，如断裂失效中的断裂源和断裂机理及其导致因素。（3）比较方法选择一个没有失效的而且整个系统能与失效统一一对比的系统，然后与失效系进行比较，从中找出差异，这样来找引起失效的原因。（4）历史方法历史方法的客观依据，是物质世界的运动变化和因果制约性。就是根据同样设备同样服役条件在过去表现的情况和变化规律，来推断现在失效的可能原因。这主要依赖过去失效资料的积累，运用归纳法和演绎法。6（5）逻辑方法就是根据背景资料（设计、材料和制造的情况）和失效现场调查材料以及分析、测试获得的信息，进行分析、比较、综合、归纳、和概括，作出判断和推论，得出可能的失效原因。以上这些原则和方法掌握程度和运用水平，决定着失效分析的速度和结论正确的程度，掌握这些原则和方法，可以防止失效分析人员在认识上主观片面性，技术运用上的局限性。在判断上实事求是，不搞无事实根据的推论，保证分析结论正确无误。五，常用的几种失效分析思路1。根据失效分类的分析思路根据失效型的分类，把它们当作数学集合中不同集合，不同子集中元素。然后个消去不包含它的集合子集，即逐步缩小包围，找出属于某种失效的机理，再进一步找引起失效的原因。72。根据设备或部件工作状况的分析思路首先考虑是系统失效还是部件失效，前者要逐个装置清查找出失效源，进而找出断裂源；后者找断裂源。随后从受力状态，环境介质、温度等去考虑失效源。譬如受力是单轴静载还是受冲击或交变应力的动载；是拉伸，扭转，剪切，还是弯曲；是大气介质还是腐蚀介质；是常温环境还是高温或低温环境。例如是静载＋腐蚀介质＋沿晶断裂（不锈钢除外）多半是应力腐蚀开裂；如果受交变应力的动载，多数为疲劳致断，有腐蚀介质多为腐蚀疲劳；处于高温环境多为高温疲劳。再根据背景资料和现场调查就可确定着重抓那些分析项目，要注意多因素的影响。3。根据制造工艺和部件类别的分析思路8不同工艺生产的部件，如行铸造、锻造、焊接、热处理或最终研磨，一旦发生早期失效，首先考虑这些制造工艺致断的作用，根据失效统计有一半以上是由于制造工艺不当引起的。如失效件是从焊缝热影响区裂开或断开，而且工作应力又没有超过计应力，又无腐蚀条件，那么就从焊接工艺条件找原因。其它工艺都有各自的工艺缺陷，如铸造的气孔、疏松、夹渣等，锻造的折叠、内裂等，热处理的裂纹、残余应力等。不同部件由于受力情况不同，都有各自的失效模式。譬如，齿轮失效主要表现为断齿和齿面损伤。而断齿主要由于疲劳、撞击或异物落入齿轮副引起；齿面损伤主要表现为点蚀齿面剥落、磨损或胶合。轴类的失效，主要表现为疲劳断；如果断口没有贝壳花样的