失效分析的基本理論和技術(shù)

失效分析基礎(chǔ)陶春虎中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心第二講失效分析的基本理論和技術(shù)1.痕跡分析

1.痕跡分析的作用和意義

痕跡：環(huán)境作用于系統(tǒng)，在系統(tǒng)表面留下的標(biāo)記對事故和失效的發(fā)生、發(fā)展過程作出判斷為分析結(jié)論提供可靠的依據(jù)在機(jī)械失效時(shí)，定義中的“系統(tǒng)”便是“機(jī)械”，而“環(huán)境”中的力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等因素“作用”于機(jī)械，在機(jī)械表面及表面層所留下的損傷性標(biāo)記，便是痕跡。1.痕跡分析的作用和意義

痕跡標(biāo)記：包括表面形貌(花樣)、成分(或材料遷移)、顏色、表層組織、性能、殘余應(yīng)力以及表面污染狀態(tài)等的變化。

痕跡分析：對上述變化特征進(jìn)行診斷鑒別，并找出其變化的過程和原因，為事故和機(jī)械失效分析提供線索和證據(jù)。

①機(jī)械接觸痕跡②腐蝕痕跡③電侵蝕痕跡④污染痕跡2.痕跡的分類

根據(jù)痕跡形成機(jī)理和條件的不同，痕跡分成以下幾類：⑤分離物痕跡⑥熱損傷痕跡⑦加工痕跡①壓入性機(jī)械痕跡

3.機(jī)械接觸的損傷痕跡

造痕物壓入留痕物時(shí)，法向載荷的作用緩慢而持續(xù)，保持較長時(shí)間的接觸狀態(tài)或接觸面不再分離(即靜態(tài)接觸)，變形速度一般較小，這時(shí)留下的痕跡稱為壓入性機(jī)械痕跡——簡稱為壓痕(或壓印)。a.犁痕(即劃痕)：包括犁皺痕跡、犁削痕跡和犁碎痕跡b.粘著痕跡c.摩擦疲勞痕跡d.摩擦腐蝕痕跡(復(fù)合型)②滑動(dòng)性機(jī)械痕跡的分類

3.機(jī)械接觸的損傷痕跡4.電接觸損傷痕跡

主要包括:電腐蝕(電侵蝕）痕跡電腐蝕（表面）損傷痕跡電接觸粘附電磨損痕跡靜電痕跡5.熱損傷痕跡

①熱沖擊

具有如下一些痕跡特征：表面可能燒熔，出現(xiàn)鑄態(tài)熔坑、幾何花樣、交叉滑移表面燒蝕變色，失去金屬光澤表面龜裂，萌生熱疲勞裂紋，并且出現(xiàn)多條熱疲勞裂紋5.熱損傷痕跡

②熱磨損當(dāng)固體物體相互滑過時(shí)，甚至在中等負(fù)荷和速度下都可能產(chǎn)生非常高的表面溫度。③低熔點(diǎn)金屬的熱污染低熔點(diǎn)金屬受熱液化時(shí)若與固體金屬表面直接接觸，常使該固體金屬浸濕而脆化，在拉伸應(yīng)力的作用下，從表面起裂，而裂紋尖端吸附低熔點(diǎn)液態(tài)金屬原子，進(jìn)一步降低固體金屬的晶體結(jié)合鍵強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋脆性擴(kuò)展。常導(dǎo)致接觸金屬的脆性斷裂，一般稱作液態(tài)金屬脆。6.痕跡分析的一般程序

①尋找、發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡②痕跡的提取、固定、顯現(xiàn)、清洗、記錄和保存③鑒定痕跡進(jìn)行針對性的檢驗(yàn)，一般原則是由表及里，由簡而繁，先宏觀后微觀，先定性后定量遵循形貌→成分→組織結(jié)構(gòu)→性能順序④痕跡的模擬再現(xiàn)試驗(yàn)⑤綜合性分析⑥做分析結(jié)論并寫出有建設(shè)性意見的報(bào)告

2.裂紋分析第二講失效分析的基本理論和技術(shù)裂紋和斷口是表述斷裂失效過程不同階段的術(shù)語。在力的作用下，零件表面或內(nèi)部的連續(xù)性遭到破壞而未最終破斷之前稱為裂紋，最終破斷的斷裂面稱為斷口。斷裂經(jīng)歷裂紋的萌生、擴(kuò)展直至最終破斷等不同階段。斷裂過程的每一階段會(huì)在斷口上留下相應(yīng)的痕跡、形貌與特征。斷口和裂紋分析就是通過對這些痕跡、形貌與特征的觀察、鑒別及分析，揭示出斷裂過程的相關(guān)因素，從而判明斷裂失效的性質(zhì)與機(jī)理。斷口和裂紋分析是斷裂失效分析的基礎(chǔ)。①裂紋深度與斷裂強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式

斷裂強(qiáng)度

c與裂紋深度a的平方根成反比：

或

K—非一般的比例常數(shù)，它表達(dá)了裂紋前端的力學(xué)因素，反映材料抵抗脆性斷裂能力的一個(gè)斷裂韌性指標(biāo)。1.裂紋分析的力學(xué)基礎(chǔ)②斷裂韌性的基本概念(1)平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的概念（a）帶缺口的拉伸試樣（b）平面應(yīng)力狀態(tài)（

Z=0）（c）平面應(yīng)變狀態(tài)（

Z=0）分析首斷件的原則當(dāng)各斷裂件中，既有延性斷裂，又有脆性斷裂時(shí)，一般脆性斷裂件發(fā)生在前，延性斷裂件發(fā)生在后；當(dāng)各斷裂件中，既存在脆性斷裂件，又存在疲勞斷裂件時(shí)，則疲勞斷裂件應(yīng)為首斷件；當(dāng)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的疲勞斷裂件時(shí)，低應(yīng)力疲勞斷裂件出現(xiàn)在前，而大應(yīng)力疲勞斷裂件出現(xiàn)在后；當(dāng)各斷裂件均為延性斷裂時(shí)，則應(yīng)根據(jù)各零件的受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性、斷裂的走向、材質(zhì)與性能等進(jìn)行綜合分析與評定，找出首先斷裂失效件。2首斷件的判定

案例：

2002年某燃機(jī)熱電廠燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生事故。分解檢查發(fā)現(xiàn)有一片一級(jí)壓氣機(jī)動(dòng)葉片從葉根處斷裂（1＃），其余一級(jí)動(dòng)葉片全部嚴(yán)重打傷。燃?xì)廨啓C(jī)葉片損傷情況案例：

1＃葉片有兩個(gè)源區(qū)，一處在葉盆側(cè)中部，一處在排氣邊附近。

1＃葉片斷面上有明顯的疲勞弧線；

1＃葉片瞬斷區(qū)面積所占斷面總面積的比例較小，兩個(gè)疲勞區(qū)擴(kuò)展的很充分；進(jìn)氣導(dǎo)葉和其它壓氣機(jī)葉片呈瞬斷或被打傷，損傷程度從第1級(jí)到第17級(jí)逐漸減弱。1＃葉片斷口疲勞區(qū)形貌1＃葉片為首斷件，同時(shí)也是燃機(jī)致?lián)p的肇事件

3主裂紋及裂紋源的判斷

在機(jī)械事故分析中，當(dāng)殘骸拼湊之后，經(jīng)常會(huì)碰到在同一失效件上出現(xiàn)多條裂紋，這就要求從中準(zhǔn)確地找出首先開裂的部位——主裂紋。

(a)“T”型法3主裂紋及裂紋源的判斷

(b)分叉法（c）變形法變形量大的部位為主裂紋，其它部位為二次裂紋3主裂紋及裂紋源的判斷

（d）氧化顏色法氧化腐蝕比較嚴(yán)重、顏色較深的部位是主裂紋部位氧化腐蝕較輕、顏色較淺的部位是二次裂紋的部位（e）疲勞裂紋長度法疲勞裂紋長、疲勞弧線或條帶間距密者，為主裂紋或主斷口，反之為次生裂紋或二次斷口。3.斷口分析第二講失效分析的基本理論和技術(shù)斷口分析一般包括宏觀分析與微觀分析兩個(gè)方面前者系指用肉眼或40倍以下的放大鏡、實(shí)體顯微鏡對斷口進(jìn)行觀察分析，可有效地確定斷裂起源和擴(kuò)展方向后者系指用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等對斷口進(jìn)行觀察、鑒別與分析，可以有效地確定斷裂類型與機(jī)理宏觀分析和微觀分析是不可分割的整體，二者不可互相取代，只能互相補(bǔ)充、相互促進(jìn)。斷口分析技術(shù)一般應(yīng)包括分析對象的確定與顯示技術(shù)、觀察與照相記錄技術(shù)、識(shí)別與診斷技術(shù)，定性與定量分析技術(shù)以及儀器與設(shè)備的使用技術(shù)等。1斷口觀察的原則目的性與客觀性全面性和典型性受動(dòng)性與主動(dòng)性感性因素與理性因素

2斷口宏觀分析

斷口宏觀分析：指在各種不同照明條件下用肉眼、放大鏡和體視顯微鏡等對斷口進(jìn)行直接觀察與分析。主要任務(wù)：確定斷裂的類型和方式，為判明斷裂失效的模式提供依據(jù)尋找斷裂起源區(qū)和斷裂擴(kuò)展方向估算斷裂失效件應(yīng)力集中的程度和名義應(yīng)力的高低觀察斷裂源區(qū)有無宏觀缺陷等步驟：用肉眼觀察斷面形貌特征及其失效件的全貌包括斷口的顏色變化，變形引起的結(jié)構(gòu)變化，斷口附近的損傷痕跡等。2.對主要的特征區(qū)用放大鏡和體視顯微鏡進(jìn)行進(jìn)一步的觀察確定重點(diǎn)分析的部位。

重點(diǎn)注意觀察以下七個(gè)方面的特征：①斷口上是否存在放射花樣及人字紋②斷口上是否存在弧形跡線③斷口的粗糙程度④斷面的光澤與色彩⑤斷面與最大正應(yīng)力的交角(傾斜角)⑥斷口特征區(qū)的劃分和位置、分布與面積大小等⑦材料缺陷在斷口上所呈現(xiàn)的特征3斷口的微觀分析

主要指借助于顯微鏡對斷口放大后進(jìn)行的觀察

分為直接觀察法與間接觀察法兩種

直接觀察法主要是使用體視顯微鏡、光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對實(shí)際斷口進(jìn)行的直接觀察。間接觀察法主要指復(fù)型觀察法，即以斷口為原型，用一種特殊的材料制成很薄的斷口“復(fù)型”，然后用顯微鏡對復(fù)型進(jìn)行觀察分析，以揭示斷口特征的分析方法4斷口的特殊分析

在斷口的分析中，可采用某些特殊的分析技術(shù)，其中主要的有斷口剖面分析、斷口蝕坑分析、斷口定量分析、斷口浮凸測量等。

斷口剖面截取示意圖(a)平行裂紋方向的截取(b)垂直裂紋方向的截取5斷口的定量分析（相關(guān)章節(jié)會(huì)進(jìn)行詳細(xì)講解）4.失效預(yù)防與失效評估第二講失效分析的基本理論和技術(shù)4失效預(yù)防與失效評估

事故或失效后分析非常重要，必需分析失效性質(zhì)和原因，解決問題，預(yù)防類似事故的重復(fù)發(fā)生，以免造成更大的損失。

但是，一旦造成失效必定造成不同程度上的損失，有些事故要從根本上進(jìn)行解決需要付出諸如改進(jìn)設(shè)計(jì)、更換材料等巨大代價(jià)。事后分析事前預(yù)防4失效預(yù)防與失效評估4失效預(yù)防與失效評估中國有很多古訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)了安全預(yù)防的重要性，在現(xiàn)實(shí)生活中也具有重要的指導(dǎo)作用:“萬事防為先”、“防患與未然”、“防微杜漸”、“防火重于滅火，隱患險(xiǎn)于明火”。

但是，在實(shí)際生活中，人們總是把解決危機(jī)的“滅火者”、“抗洪救災(zāi)者”看成英雄，而對于那些預(yù)先消除火災(zāi)隱患以及那些植樹種草預(yù)防水土流失的無名英雄卻不屑一顧。

古代扁鵲4失效預(yù)防與失效評估預(yù)防失效需從設(shè)計(jì)、材料質(zhì)量與可靠性入手，從源頭解決，在設(shè)計(jì)和研制階段就要對關(guān)鍵件和系統(tǒng)進(jìn)行安全和失效評估。大型構(gòu)件設(shè)計(jì)制造裝配使用維護(hù)存在不確定性因素外力工況不同而變偶然因素的影響構(gòu)件的抗力材料組織不均勻內(nèi)部缺陷隨機(jī)分布加工制造不一致4失效預(yù)防與失效評估偶然性必然性構(gòu)件失效任何偶然性造成的隨機(jī)性在子樣大時(shí)總體上必然服從某些統(tǒng)計(jì)規(guī)律為構(gòu)件安全可靠性評估提供了基礎(chǔ)4失效預(yù)防與失效評估傳統(tǒng)的安全壽命設(shè)計(jì)經(jīng)典疲勞強(qiáng)度理論損傷容限設(shè)計(jì)耐久性設(shè)計(jì)4失效預(yù)防與失效評估要求結(jié)構(gòu)在一定的使用期間內(nèi)不產(chǎn)生疲勞裂紋；以裂紋萌生作為壽命的終結(jié)，而未計(jì)及裂紋擴(kuò)展壽命；未考慮在使用期間內(nèi)如何實(shí)施檢修制度，以排除可能出現(xiàn)的意外損傷和初始缺陷；4失效預(yù)防與失效評估傳統(tǒng)的安全壽命設(shè)計(jì)安全壽命設(shè)計(jì)并不能保證安全

許多疲勞裂紋并未造成事故，但卻嚴(yán)重影響飛行訓(xùn)練需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的檢測和維修，使飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變差可能因少數(shù)飛機(jī)的個(gè)別部件裂紋不可修理,而使大批飛機(jī)提前退役,更會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)

4失效預(yù)防與失效評估經(jīng)典疲勞強(qiáng)度理論名義應(yīng)力應(yīng)變法、局部應(yīng)力應(yīng)變法在結(jié)構(gòu)使用期間內(nèi)允許存在初始缺陷或出現(xiàn)疲勞裂紋保證裂紋擴(kuò)展速率較慢使含裂紋結(jié)構(gòu)有足夠的剩余壽命和剩余強(qiáng)度持續(xù)工作，直至下次檢修時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)予以修復(fù)或更換不至由于裂紋對強(qiáng)度削弱過多而造成事故損傷容限設(shè)計(jì)原則在壽命預(yù)估中未考慮裂紋的萌生階段4失效預(yù)防與失效評估損傷容限設(shè)計(jì)建立在安全壽命設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上吸收了損傷容限設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)引入了經(jīng)濟(jì)維修的概念利用“概率”方法估算結(jié)構(gòu)使用壽命及維修周期4失效預(yù)防與失效評估耐久性設(shè)計(jì)耐久性分析方法裂紋萌生方法斷裂力學(xué)方法概率斷裂力學(xué)方法原始疲勞質(zhì)量當(dāng)量初始缺陷尺寸裂紋形成時(shí)間4失效預(yù)防與失效評估當(dāng)量初始裂紋尺寸概率分布：實(shí)際構(gòu)件或材料中必然存在某些微觀缺陷和宏觀缺陷，由該缺陷或裂紋擴(kuò)展至臨界裂紋的壽命為構(gòu)件的總壽命。原始疲勞質(zhì)量模型4失效預(yù)防與失效評估英國PD－6493的額質(zhì)量帶標(biāo)準(zhǔn)：首先用無損檢測方法檢測體積型缺陷的性質(zhì)和大小，得到焊接結(jié)構(gòu)件的實(shí)際質(zhì)量等級(jí);由該結(jié)構(gòu)所要承受載荷大小和所要求的服役壽命，得到該結(jié)構(gòu)所要求的質(zhì)量等級(jí);如果實(shí)際質(zhì)量等級(jí)小于或等于所要求的質(zhì)量等級(jí)，則結(jié)構(gòu)是可靠的。

4失效預(yù)防與失效評估基于初始疲勞質(zhì)量和裂紋擴(kuò)展速率的構(gòu)件壽命估算方法：aN=a0i+∑Δaia0i=aN-∑Δai

4失效預(yù)防與失效評估Frost-Bugdale壽命預(yù)測模型Ln(a)=βN+ln(a0)或a=a0eβN

4失效預(yù)防與失效評估應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉理論：結(jié)構(gòu)要能可靠地使用，其強(qiáng)度必須超過外載引起的總應(yīng)力。一維動(dòng)態(tài)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型失效評估的基本方法4失效預(yù)防與失效評估4失效預(yù)防與失效評估失效預(yù)防與失效評估舉例

某型咖啡壺失效評估

4失效預(yù)防與失效評估

某型咖啡壺美國設(shè)計(jì)、國內(nèi)生產(chǎn)、美國銷售，已經(jīng)通過十三類國際電氣認(rèn)證。生產(chǎn)廠商尋求通過失效評估手段對該產(chǎn)品進(jìn)行安全性及功能性評估。

某型咖啡壺失效評估

分解、剖析－－對咖啡壺各元、器件的特性、工作原理與過程進(jìn)行研究

模擬試驗(yàn)－－對整個(gè)系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行實(shí)測

預(yù)制失效－－對系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測

元件性能檢測

4失效預(yù)防與失效評估

采用預(yù)先危險(xiǎn)分析、失效模式與效果分析和故障樹分析等失效評估方法，對咖啡壺系統(tǒng)進(jìn)行了失效評估。故障樹-咖啡壺高溫高壓蒸汽泄漏熱電偶失效預(yù)制蒸汽涌出情況結(jié)論－－該咖啡壺部分部件由于材料加工工藝問題存在安全隱患。

4失效預(yù)防與失效評估

失效模擬試驗(yàn)（FSTA）針對FMEA的預(yù)測結(jié)論進(jìn)行失效預(yù)制，并監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)，以暴露出系統(tǒng)存在的隱患。

分析結(jié)論異常的劇烈振動(dòng)是導(dǎo)致導(dǎo)管從焊縫區(qū)疲勞開裂的根本原因。最終確定故障與某活門狀態(tài)及導(dǎo)管的連接方式有關(guān)。該型機(jī)為了解決輸油卡滯故障對某活門狀態(tài)進(jìn)行了更改，雖然改善了卡滯故障，但在大輸油流量下，活門的頻繁打開與關(guān)閉使系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，而沖擊壓力波與燃油流動(dòng)耦合引起了系統(tǒng)陣發(fā)高過載振動(dòng)。4失效預(yù)防與失效評估某型飛機(jī)燃油導(dǎo)管裂紋漏油故障故障簡介某型飛機(jī)裝備部隊(duì)兩年間，共有6架飛機(jī)發(fā)生燃油導(dǎo)管裂紋故障14起，嚴(yán)重影響了飛行安全。型號(hào)研制時(shí)間緊、任務(wù)重，新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品大量應(yīng)用，由于設(shè)計(jì)初期對工藝和產(chǎn)品缺乏必要的失效評估，導(dǎo)致該飛機(jī)在部隊(duì)的領(lǐng)先使用中暴露了大量成品及系統(tǒng)故障。設(shè)計(jì)改進(jìn)在改善某些方面的性能的同時(shí)也可能導(dǎo)致其它方面性能的惡化，所以失效評估十分必要。如果在設(shè)計(jì)初期就對活門和油管連接方式進(jìn)行系統(tǒng)的失效評估，此類故障完全可以避免。4失效預(yù)防與失效評估某型飛機(jī)燃油導(dǎo)管裂紋漏油故障啟示故障簡介：某型發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行150h摸底試驗(yàn)時(shí)發(fā)生故障，壓氣機(jī)部件損壞嚴(yán)重，二、三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片全部從根部斷裂，離心葉輪也發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間67h11min。發(fā)動(dòng)機(jī)總運(yùn)行89h47min。故障壓氣機(jī)二、三級(jí)盤和離心葉輪所用材質(zhì)均為TC11鈦合金，按照GJB2220-94標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。二級(jí)盤三級(jí)盤離心葉輪4失效預(yù)防與失效評估發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)鈦合金整體葉輪葉片斷裂二級(jí)盤體實(shí)際金相組織不均勻，大多在7~10級(jí)葉片部位金相組織高于10級(jí)與故障的發(fā)生存在一定的關(guān)系二級(jí)盤葉片體實(shí)際金相組織高于10級(jí)，即原始β晶?；就暾?，且晶界初生α未發(fā)生明顯的變形和破碎對葉片部位的材質(zhì)顯微組織驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)選用不當(dāng)早期的失效評估對盤體和葉片部位材質(zhì)的金相組織要求進(jìn)行分析研究，評估可能導(dǎo)致發(fā)生故障的潛在因素避免故障發(fā)生國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、研究成果盤體1~10級(jí)葉片1~7級(jí)4失