失效分析課件-3

第三章失效分析基本方法1.整體觀念原則設(shè)備失效要考慮的對象不僅僅是設(shè)備，要把設(shè)備---環(huán)境—人當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)來考慮。a.失效構(gòu)件與鄰近非失效構(gòu)件之間的關(guān)系b.失效構(gòu)件與周圍環(huán)境的關(guān)系c.失效構(gòu)件與操作人的各種關(guān)系大膽設(shè)想可能與環(huán)境發(fā)生哪些問題，逐個(gè)列出失效因素，對照調(diào)查、檢測、試驗(yàn)，再逐個(gè)排除，特別是大型構(gòu)件更要如此.3.1失效分析的思想方法2.從現(xiàn)象到本質(zhì)的原則失效的表現(xiàn)是現(xiàn)象原因才是本質(zhì)

許多失效表現(xiàn)出一定的現(xiàn)象，如一個(gè)斷口出現(xiàn)貝殼花樣；又知道其承受交變載荷，就可認(rèn)定失效類型是疲勞，但還要進(jìn)一步弄清為什么會(huì)發(fā)生疲勞失效，找出原因才是本質(zhì)。3.動(dòng)態(tài)原則位置機(jī)械產(chǎn)品對周圍的環(huán)境相對運(yùn)動(dòng)變化之中

條件

設(shè)計(jì)參量和操作工藝指標(biāo)只能是一個(gè)分析的參考量。甚至存放在倉庫的新產(chǎn)品也要認(rèn)為在動(dòng)態(tài)中。內(nèi)部受力條件會(huì)變化，外部溫度、介質(zhì)會(huì)變化，產(chǎn)品本身的某些因素也會(huì)變化。4.兩分法原則

好的方面任何事物、事件一分為二

不好的方面

失效分析中對任何事物、事件都要一分為二，名牌、進(jìn)口和質(zhì)量好的產(chǎn)品也會(huì)失效，也會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)或材料問題。5.立體原則客觀事物在不同的時(shí)空范圍內(nèi)是變化的a.對同一設(shè)備在不同的服役階段或不同的環(huán)境就會(huì)具有不同的性質(zhì)。b.同一工況條件構(gòu)件的不同部位也會(huì)產(chǎn)生不同的失效模式失效分析要多方位綜合考慮問題。6.比較方法、歷史方法、邏輯方法

失效與已失效系統(tǒng)進(jìn)行比較,依賴過去失效資料積累分析,分析比較綜合歸納作出判斷和推類。3.2相關(guān)性分析的思路及方法1.按失效零件制造全過程和使用條件進(jìn)行分析（1）審查設(shè)計(jì)

使用條件

設(shè)計(jì)包括

標(biāo)準(zhǔn)選用導(dǎo)致零件失效

設(shè)計(jì)判據(jù)使用條件估計(jì)不足，標(biāo)準(zhǔn)選用不當(dāng)，判據(jù)不準(zhǔn)。

（2）材料分析選用不當(dāng)

熱處理不合理

成分不合格材料

夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致失效產(chǎn)生組織不合要求

材料各向異性冶金缺陷（3）加工制造缺陷鑄造缺陷

鍛造缺陷

焊接缺陷缺陷

冷加工缺陷導(dǎo)致失效產(chǎn)生碰傷表面缺陷

腐蝕表面缺陷裝配不當(dāng)缺陷（4）使用和維護(hù)情況分析

超載

超溫超速問題

頻繁啟動(dòng)停車導(dǎo)致失效產(chǎn)生

潤滑問題冷卻問題

保養(yǎng)問題2.根據(jù)產(chǎn)品的失效形式及機(jī)械模式進(jìn)行分析根據(jù)產(chǎn)品的失效表現(xiàn)形式（過量變形、表面損傷、斷裂）

進(jìn)一步分析失效模式

分析導(dǎo)致失效的內(nèi)因和外因

找出失效原因（重點(diǎn)）

3.“四M”分析思路及方法

1）

man人操作人員的情況分析工作態(tài)度責(zé)任心大小玩忽職守人主觀臆斷造成失效違章操作

缺乏經(jīng)驗(yàn)

反映遲鈍

技術(shù)低能

2）Media環(huán)境產(chǎn)品使用狀態(tài)下的環(huán)境情況分析載荷狀態(tài)變化載荷大小變化載荷方向變化環(huán)境周圍溫度導(dǎo)致失效周圍濕度

周圍塵埃

腐蝕介質(zhì)

3）Machine設(shè)備情況分析分析材料的選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)備加工制造水平造成失效安裝水平

運(yùn)輸保護(hù)措施

4）Management管理情況分析作業(yè)程序保護(hù)措施管理輔助工作造成失效使用工具

維護(hù)保養(yǎng)上節(jié)課內(nèi)容第二章失效分析基礎(chǔ)知識(shí)2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算

1.應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論（均勻連續(xù)的無宏觀缺陷的構(gòu)件）

2.應(yīng)力集中3.殘余應(yīng)力與零件失效2.3材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)（帶宏觀裂紋的構(gòu)件）脆性斷裂安全判據(jù):第三章失效分析基本方法3.1失效分析的思想方法（基本原則）3.2相關(guān)性分析的思路及方法1.按失效零件制造全過程和使用條件進(jìn)行分析（設(shè)計(jì)、選材、加工、使用）2.根據(jù)產(chǎn)品的失效形式及機(jī)械模式進(jìn)行分析3.四“M”分析法（設(shè)備、人、環(huán)境、管理）3.3系統(tǒng)工程的分析思路及方法1.復(fù)雜系統(tǒng)除常規(guī)影響因素外

還有人的因素和軟件因素，用相關(guān)性及物理檢測無法解決，必須采用系統(tǒng)工程來解決。系統(tǒng)工程：設(shè)備或系統(tǒng)和人當(dāng)作一個(gè)統(tǒng)一體，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)將失效原因---結(jié)果之間的邏輯關(guān)系連接起來。2.失效系統(tǒng)工程分析法類型故障樹分析法特征因素法故障時(shí)序數(shù)法故障頻率預(yù)測法失效模式及后果分析法模糊數(shù)學(xué)分析法故障樹分析法故障樹分析法：60年代以來迅速發(fā)展的系統(tǒng)可靠性分析方法,這種方法用樹狀圖對系統(tǒng)進(jìn)行演繹分析,從所定義的“不希望事件”開始,在給定的邊界條件下,按系統(tǒng)失效的規(guī)律，分析到系統(tǒng)的硬件故障、人為差錯(cuò)、環(huán)境影響等。通過故障樹可以把系統(tǒng)故障的有關(guān)因素聯(lián)系起來進(jìn)行分析,便于找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和故障譜,還可定量地求出系統(tǒng)的失效概率及其他可靠性參量，為評(píng)估與改善系統(tǒng)可靠性提供定量數(shù)據(jù)。工作程序：

a）確定不希望發(fā)生的事件（上端事件）

b）對設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、使用等技術(shù)資料進(jìn)行分析

c）合成故障樹

d）求出上端事件發(fā)生的必要充分條件

e）收集計(jì)算時(shí)必要的故障率數(shù)據(jù)

f）計(jì)算上端事件發(fā)生的概率

g）對基本事件的重要性作出評(píng)價(jià)

h）分析計(jì)算結(jié)果，提出改進(jìn)措施故障樹分析法應(yīng)用：

（1）事后分析：分析失效產(chǎn)生的原因

（2）事前分析：進(jìn)行系統(tǒng)故障預(yù)測和診斷，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化

（3）安全性評(píng)價(jià)：找出設(shè)計(jì)及制造方面存在的錯(cuò)誤可能引起哪些故障，定量計(jì)算某種故障出現(xiàn)的概率，做出安全性評(píng)價(jià)。故障樹分析法特性因素圖法將產(chǎn)品或系統(tǒng)的失效作為結(jié)果（特性），以導(dǎo)致產(chǎn)品或系統(tǒng)失效的諸因素作為原因（因素），繪出圖形，通過圖形分析，從多而復(fù)雜的失效因素中找出失效的主要原因。壓力容器破裂失效分析的特性因素圖幾種常用的邏輯推理方法（1）歸納推理：由個(gè)別事物或現(xiàn)象推出該類事物或現(xiàn)象的普遍性規(guī)律的推理。有或然性，不可絕對化。（2）演繹推理：有一般（或普遍）到個(gè)別（或特殊）。（3）類比推理：觀察到兩個(gè)或兩個(gè)以上失效事件在許多特征上都相同，便推出它們在其他方面也相同。具有或然性，要避免片面性。（4）選擇性推理：當(dāng)失效事件的發(fā)生存在兩種以上的可能性可供選擇，此時(shí)，用已知的事實(shí)否定其中一個(gè)可能性，而肯定另一個(gè)可能性。有或然性，不可單獨(dú)使用。（5）假設(shè)性推理：在證據(jù)不足、情況復(fù)雜的調(diào)查分析中，往往要以為數(shù)不多的事實(shí)和現(xiàn)象為基礎(chǔ)，根據(jù)已有的知識(shí)，提出相應(yīng)的假設(shè)，然后進(jìn)行推理，得出結(jié)論。

注意：推理的前提必須有客觀事實(shí)性；推理是邏輯手段，推論只能為失效分析提供參考、線索與方向，不能作為證據(jù)。程序步驟

3.4.1分析程序的意義

3.4

失效分析的程序與步驟

失效分析是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)工作，它不僅要求失效分析工作人員具備多方面的專業(yè)知識(shí)，而且要求多方面的工程技術(shù)人員，操作者及有關(guān)的科學(xué)工作者的相互配合，才能圓滿地解決問題。因此，如果在分析以前沒有設(shè)計(jì)出一個(gè)科學(xué)的分析程序和實(shí)施步驟，往往就會(huì)出現(xiàn)工作忙亂、漏取數(shù)據(jù)、工作緩慢、走彎路，甚至把分析步驟搞顛倒，使某些應(yīng)得的信息被另一提前的步驟給毀掉了。

因此制定一個(gè)科學(xué)的分析程序，是保證失效分析工作順利而有效進(jìn)行的前提條件。程序步驟3.4.2失效分析的一般程序

一般說來，大體上包括：調(diào)查失效事件的現(xiàn)場收集背景材料深入研究分析綜合歸納所有信息并提出初步結(jié)論重現(xiàn)性試驗(yàn)或證明試驗(yàn)確定失效原因并提出建議措施寫出分析報(bào)告等內(nèi)容。

3.4

失效分析的程序與步驟現(xiàn)場調(diào)查3.4

失效分析的程序與步驟1、現(xiàn)場調(diào)查（1）保護(hù)現(xiàn)場（2）查明事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)及失效過程（3）收集殘骸碎片，標(biāo)出相對位置，保護(hù)好斷口（4）選取進(jìn)一步分析的試樣（5）詢問目擊者及其他有關(guān)人員能提供的有關(guān)情況（6）寫出現(xiàn)場調(diào)查報(bào)告收集材料2、收集背景材料（實(shí)用性、時(shí)效性、客觀性、盡可能豐富和完整）3.4

失效分析的程序與步驟（1）設(shè)備的自然情況：設(shè)備名稱、出廠及使用日期、設(shè)計(jì)參數(shù)、功能要求等。（2）設(shè)備的運(yùn)行記錄：載荷及其波動(dòng)、溫度變化、腐蝕介質(zhì)（3）設(shè)備的維修歷史情況（4）設(shè)備的失效歷史情況（5）設(shè)計(jì)圖紙及說明書，裝配程序說明書，使用維護(hù)說明書（6）材料選擇及其依據(jù)（7）設(shè)備主要零部件的生產(chǎn)流程（8）設(shè)備服役前的經(jīng)歷：裝配、包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、安裝、調(diào)試等。（9）質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告及有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參量3.4

失效分析的程序與步驟3、技術(shù)參量復(fù)驗(yàn)（1）材料的化學(xué)成分（2）材料的金相組織及硬度（3）常規(guī)力學(xué)性能（4）主要零部件的幾何參量及裝配間隙深入研究3.4

失效分析的程序與步驟4、深入分析研究（1）失效產(chǎn)品的直觀檢查（變形，損傷情況，裂紋擴(kuò)展，斷裂源）（2）斷口的宏觀分析及微觀形貌分析（多用掃描電鏡）（3）無損探傷檢查（渦流、著色、磁粉、同位素、X射線、超聲波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能譜）（5）局部或微區(qū)成分分析（輝光光譜、能譜、電子探針）（6）相結(jié)構(gòu)分析（X射線衍射法）（7）斷裂韌性檢查，強(qiáng)度、韌性及剛度校核深入研究3.4

失效分析的程序與步驟無損探傷基礎(chǔ)渦流——利用交流電磁線圈在金屬構(gòu)件表面感應(yīng)產(chǎn)生的渦流遇到缺陷會(huì)產(chǎn)生變化的原理，來檢測構(gòu)件缺陷的無損探傷技術(shù)。探查表層的缺陷，準(zhǔn)確度較高。著色——利用高滲透性的有色液體（著色劑）涂抹金屬表面，缺陷處能夠滲入，利用色差分辨。準(zhǔn)確度一般。磁粉——將鋼鐵等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位能吸附磁粉的特征，依磁粉分布顯示被探測物件表面缺陷和近表面缺陷的探傷方法。準(zhǔn)確度較著色高。同位素——利用放射性同位素缺陷衰減原理，重要結(jié)構(gòu)。深入研究3.4

失效分析的程序與步驟無損探傷基礎(chǔ)X射線——利用X射線的高穿透能力，對金屬缺陷可實(shí)現(xiàn)定性、定位、定尺。X射線探傷儀。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，不受材料性質(zhì)限制，無表面特殊要求。應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描。限制：放射性，需要保護(hù)。穿透深度有限（60mm）。超聲波——利用超聲波在固體介質(zhì)中的高穿透能力以及不同材料對超聲波穿透和反射的差異，實(shí)現(xiàn)對缺陷的探測。超聲波探傷儀。優(yōu)點(diǎn)：無放射性，不需保護(hù)。穿透厚度無限制。應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷。限制：對缺陷定性困難。表面質(zhì)量要求高。分析報(bào)告3.4

失效分析的程序與步驟5、綜合分析歸納，推理判斷提出初步結(jié)論根據(jù)失效現(xiàn)場獲得的信息、背景材料及各種實(shí)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、管理學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)等方面的知識(shí)，進(jìn)行綜合歸納、推理判斷、分析后，初步確定失效模式并提出失效原因的初步意見和預(yù)防措施。6、重現(xiàn)性試驗(yàn)或證明試驗(yàn)重大事件7、撰寫失效分析報(bào)告失效分析報(bào)告與科學(xué)研究報(bào)告相比較，除了條理清晰、簡明扼要、合乎邏輯方面相同外，二者在格式和側(cè)重點(diǎn)等許多方面都有所不同。失效分析側(cè)重于失效情況的調(diào)查、取證和驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上通過綜合歸納得出結(jié)論、而不著重探討失效機(jī)理，這就有別于斷裂機(jī)理的研究報(bào)告。分析報(bào)告3.4

失效分析的程序與步驟機(jī)械產(chǎn)品的失效分析報(bào)告通常應(yīng)包括的內(nèi)容

（2）失效事件的調(diào)查結(jié)果簡明扼要地介紹失效部件的損壞情況。當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件及工況條件；當(dāng)事人和目擊者對失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有關(guān)的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)。

（1）概述首先介紹失效事件的自然情況；受何部門或單位的委托；分析的目的及要求；參加分析人員情況；起止時(shí)間等。分析報(bào)告3.4

失效分析的程序與步驟

（3）分析結(jié)果為了尋找失效原因，采用何種方法和手段做了哪些分析工作、有何發(fā)現(xiàn)，按照認(rèn)識(shí)的自然過程一步步地介紹清楚。對于斷裂件的分析，斷口的宏觀和微觀分析、材料的選擇及冶金質(zhì)量情況分析，力學(xué)性能及硬度的復(fù)檢、制造工藝及服役條件的評(píng)價(jià)等分析內(nèi)容通常是不可缺少的.

（5）結(jié)論與建議結(jié)論要準(zhǔn)確，建議要具體、切實(shí)可行。寫明遺留的問題、尚需進(jìn)一步觀察和驗(yàn)證的問題等。

（4）問題討論必要時(shí)，對分析工作中出現(xiàn)的異常情況、觀點(diǎn)上的分歧、失效機(jī)理的看法等問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析討論。3.5

失效分析的常規(guī)測試技術(shù)及選擇宏觀和微觀斷口分析技術(shù)；金相檢驗(yàn)技術(shù)；無損探傷檢驗(yàn)技術(shù)；常規(guī)成分、微區(qū)成分和表面成分分析技術(shù)；X射線衍射分析；實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析；力學(xué)性能測試；斷裂力學(xué)測試3.5.1宏觀分析技術(shù)：失效分析的基礎(chǔ)用肉眼觀察，或用50倍以下的放大鏡觀察。首先確定損壞的起源，根據(jù)斷口的特征，對加載方式、應(yīng)力大小、材料的相對韌性和脆性給以說明。也可以發(fā)現(xiàn)諸如表面硬化、晶粒大小和內(nèi)部缺陷，設(shè)計(jì)或制造產(chǎn)生的應(yīng)力集中、裝配缺陷等。磁粉檢查或染色滲透檢驗(yàn)：可以確定表面或表面以下1mm以內(nèi)的表層缺陷。低倍檢驗(yàn)(宏觀酸蝕)：內(nèi)部質(zhì)量(偏析、疏松、夾雜、氣孔等)、氫脆(白點(diǎn))、硬化層的深度、焊接質(zhì)量等。硫印、鉛印、磷印和氧化物等印痕技術(shù)可顯示這些元素在試樣上的分布。3.5

失效分析的常規(guī)測試技術(shù)及選擇3.5.2借助體視顯微鏡的分析放大倍數(shù)一般不超過200倍。能幫助肉眼進(jìn)一步確定裂紋源和裂紋走向，以及觀察磨損或腐蝕的情況。如果要進(jìn)行SEM觀察，可先用體視顯微鏡分析找出重點(diǎn)觀察部位，提高分析效率。3.5

失效分析的常規(guī)測試技術(shù)及選擇3.5.3金相顯微鏡觀測：常用手段①鑒別加工工藝或工藝路線不當(dāng)造成的非正常組織或材料缺陷；②給出腐蝕、氧化、表面加工硬化、裂紋特征，尤其是裂紋擴(kuò)展方式（穿晶或沿晶）的可靠信息。3.5

失效分析的常規(guī)測試技術(shù)及選擇鍋爐爐管接頭失效分析低倍圖組織中的夾雜物腐蝕失效3.5.4電子顯微鏡是斷口分析的主要工具，包括透射電鏡、掃描電鏡。透射電鏡（TEM）：景深大、分辨率高，放大倍數(shù)高。配備X射線能譜能分析原子序數(shù)11以上的元素。電子衍射能夠確定第二相質(zhì)點(diǎn)的成分和結(jié)構(gòu)以及基體與第二相之間的晶體學(xué)界面關(guān)系。

缺點(diǎn)：不能直接觀察斷口，需制取金屬薄膜或復(fù)型；不能得到連續(xù)圖像；觀察部位與實(shí)際斷面的位置、方向難以對應(yīng)；起始放大倍數(shù)大于2000。3.5

失效分析的常規(guī)測試技術(shù)及選擇掃描電鏡（SEM）：放大倍數(shù)幾十到幾萬倍，填補(bǔ)光學(xué)顯微鏡和TEM間的空檔。圖像清晰，立體感強(qiáng)；可以直接觀察斷口；由低倍到高倍可連續(xù)觀察，容易將宏觀觀察和微觀圖像相互對應(yīng)；能譜和波譜分析化學(xué)成分；俄歇能譜可分析輕元素和超輕元素，檢驗(yàn)沿晶斷口上的雜質(zhì)