失效分析的任務

1、失效分析的任務、方法及其展望摘要：概述了失效與失效分析的概念,以及失效分析的意義、作用和任務;以防止失效為出發(fā)點,論述了失效分析的工作思路、程序和辯證方法;展望了失效分析的未來。關鍵詞：失效分析;失效分析反饋;失效預測預防 美國金屬手冊認為,機械產品的零件或部件處于下列三種狀態(tài)之一時,就可定義為失效:當它完全不能工作時;仍然可以工作,但已不能令人滿意地實現(xiàn)預期的功能時;受到嚴重損傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用,必須立即從產品或裝備拆下來進行修理或更換時。機械產品及零部件常見的失效類型包括變形失效、損傷失效和斷裂失效三大類。機械產品及零部件的失效是一個由損傷(裂紋)萌生、擴展(積累)直至破

2、壞的發(fā)展過程。不同失效類型其發(fā)展過程不同,過程的各個階段發(fā)展速度也不相同。例如疲勞斷裂過程一般較長,發(fā)展速度較慢,而解理斷裂失效過程則很短,速度很快,等等。機械產品及零部件在整個使用壽命期內失效發(fā)生的規(guī)律可用“壽命特性曲線”來說明,即用失效率()單位時間內發(fā)生失效的比率來描述失效的發(fā)展過程。那么在不進行預防性維修的情況下,失效率()與其工作時間(t)之間具有圖1所示的典型失效曲線,俗稱“浴盆曲線”。按照“浴盆曲線”的形狀,即按照機械產品使用的過程,可將失效分為三類。圖1失效率浴盆曲線(1)早期失效是在使用初期,由于設計和制造上的缺陷而誘發(fā)的失效。因為使用初期,容易暴露上述缺陷而導致失效,因此失

3、效率往往較高,但隨著使用時間的延長,其失效率則很快下降。假若在產品出廠前即進行旨在剔除這類缺陷的過程,則在產品正式使用時,便可使失效率大體保持恒定值。(2)隨機失效在理想的情況下,產品或裝備發(fā)生損傷或老化之前,應是無“失效”的。但是由于環(huán)境的偶然變化、操作時的人為差錯或者由于管理不善,仍可能產生隨機失效或稱偶然失效。偶然失效率是隨機分布的,其很低而且基本上是恒定的。這一時期是產品最佳工作時間。偶然失效率()的倒數(shù)即為失效的平均時間。(3)耗損失效又稱損傷累積失效。經過隨機失效期后,產品中的零部件已到了壽命后期,于是失效開始急劇增加,這種失效叫做耗損失效或損傷累積失效。如果在進入耗損失效期之前進

4、行必要的預防維修,它的失效率仍可保持在隨機失效率附近,從而延長產品的隨機失效期。1失效分析的意義與任務1.1失效分析及其意義按一定的思路和方法判斷失效性質、分析失效原因、研究失效事故處理方法和預防措施的技術活動及管理活動,統(tǒng)稱失效分析。失效分析預測預防是使失敗轉化為成功的科學,是產品或裝備安全可靠運行的保證,是提高產品質量的重要途徑,是科學技術進步的強有力杠桿,是許多重大法律、法規(guī)及技術標準制定的依據(jù)。它著眼于整個失效的系統(tǒng)工程分析。其意義和作用在于:(1)失效分析可減少和預防產品或裝備同類失效現(xiàn)象重復發(fā)生,從而減少經濟損失或提高產品質量。(2)失效是產品質量控制網發(fā)生偏差的反映,失效分析是可

5、靠性工程的重要基礎技術工作,是產品全面質量管理中的重要組成部分和關鍵技術環(huán)節(jié)。(3)失效分析可為技術開發(fā)、技術改造、科學技術進步提供信息、方向、途徑和方法。(4)失效分析可為裁決事故責任、偵破犯罪案例、開展技術保險業(yè)務、修改和制訂產品質量標準等提供可靠的科學技術依據(jù)。(5)失效分析可為各級領導進行宏觀經濟和技術決策提供重要的科學的信息來源。1.2失效分析的任務失效分析預測預防的總任務就是不斷降低產品或裝備的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的發(fā)生,促進經濟高速持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。從系統(tǒng)工程的觀點來看,失效分析的具體任務可歸納為:失效性質的判斷;失效原因的分析;采取措施,提高材料或產品的失效抗力。近

6、代材料科學和工程力學對破斷、腐蝕、磨損及其復合型(或混合型)的失效類型和失效機理做了相當深入的研究,積累了大量的統(tǒng)計資料,為失效類型的判斷、失效機理及失效原因的解釋奠定了基礎。發(fā)展中的可靠性工程及完整性與適用性評價是預測、預防和控制失效的技術工作和管理工作的基礎?？煽啃怨こ淌沁\用系統(tǒng)工程的思想和方法,權衡經濟利弊,研究將設備(系統(tǒng))的失效率降到可接受程度的措施。完整性和適用性評價則是研究結構或構件中原有缺欠和使用中新產生的或擴展缺陷對可靠性的影響,判斷結構的完整性及是否適合于繼續(xù)使用,或是按預測的剩余壽命監(jiān)控使用,或是降級使用,或是返修或報廢的定量評價。產品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質

7、的判斷和失效原因的明確,而更重要的還在于為積極預防重復失效找到有效的途徑。通過失效分析,找到造成產品或裝備失效的真正原因,從而建立結構設計、材料選擇與使用、加工制造、裝配調整、使用與保養(yǎng)方面主要的失效抗力指標與措施,特別是確定這種失效抗力指標隨材料成分、組織和狀態(tài)變化的規(guī)律,運用金屬學、材料強度學、工程力學等方面的研究成果,提出增強失效抗力的改進措施。既能得到提高產品或裝備承載能力和使用壽命,又可做到充分發(fā)揮產品或裝備的使用潛力,使材盡其用,這是產品或裝備失效分析、預測預防研究的重要目的與內容。2失效分析的思路及程序2.1防止失效的思路圖2是防止機械裝備零件失效事故的基本思路。可見,失效分析在

8、防止失效中占有很重要的地位。圖2防止失效的基本思路失效分析及失效的防止好比醫(yī)生治病,正確的診斷、配合對癥下藥才能將病治好,這是緊密聯(lián)系的兩個方面。其基本思路是:(1)對具體服役條件下的零部件進行具體分析,從中找出主要的失效形式及主要失效抗力指標。(2)運用金屬學、材料強度學和斷裂物理、化學、力學的研究成果,深入分析各種失效現(xiàn)象的本質,以主要失效抗力指標與材料成分、組織、狀態(tài)的關系,提出改進措施。(3)根據(jù)“不同服役條件要求材料強度和塑性、韌性的合理配合”這一規(guī)律,分析研究失效零部件現(xiàn)行的選材、用材技術條件是否合理,是否受舊的傳統(tǒng)學術觀念束縛。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技術條件規(guī)定

9、,如果把它當成金科玉律,則會犯分析上的錯誤,對防止零部件失效不利。(4)采用局部復合強化,克服零部件上的薄弱環(huán)節(jié),爭取達到材料的等強度設計。(5)在進行失效分析和提出防止失效的措施時,還應做到幾個結合:設計、材料、工藝相結合,即對形狀、尺寸、材料、成型加工和強化工藝統(tǒng)一考慮;結構強度(力學計算、實驗應力分析)與材料強度相結合,試棒試驗與實際零部件臺架模擬試驗相結合;宏觀規(guī)律與微觀機理相結合,宏觀斷口和微觀斷口分析相結合,宏觀與顯微、亞顯微組織分析相結合;試驗室規(guī)律性試驗研究與生產試驗相結合。2.2失效分析的程序進行失效分析,對于具體零部件要具體對待,不能企求有統(tǒng)一的方法。圖3是一般失效分析程序

10、。在整個失效分析過程中,應重點抓住以下幾個環(huán)節(jié):(1)收集失效件的背景數(shù)據(jù)除了解失效零部件在機器中的部位和作用、材料牌號、處理狀態(tài)等基本情況外,應著重收集下面兩方面的資料:失效件全部制造工藝歷史。從取得有關圖紙和技術標準開始,了解冶煉、鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理、化學熱處理、拋光、磨削、各種表面強化和表面處理及裝配、潤滑情況;失效件的服役條件及服役歷史。除了解載荷性質、加載次序、應力狀態(tài)、環(huán)境介質、工作溫度外,應特別注意環(huán)境細節(jié)和異常工況,如突發(fā)超載、溫度變化、溫度梯度和偶然與腐蝕介質的接觸等。圖3失效分析程序圖2)失效零部件及全部碎片的外觀檢查在進行任何清洗之前都應經過徹底的外觀檢查,

11、用攝相等方法詳細做好記錄。重點檢查內容為:觀察整個零部件的變形情況,看是否有鐓粗、下陷、內孔擴大、彎曲、頸縮等;觀察零部件表面冷熱加工質量,如有無過燒、折疊、斑疤等熱加工缺陷,有無刀痕、刮傷等機加工缺陷,有無冷熱加工造成的裂紋;觀察斷裂部位是否在鍵槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等應力集中處;觀察零部件表面有無氧化、腐蝕、氣蝕、咬蝕、磨損、龜裂、麻點或其它損傷;觀察相鄰零部件或配偶件的情況;觀察零部件表面有無附著物。(3)試驗室檢驗在檢驗前,對試驗項目和順序、取樣部位、取樣方法、試樣數(shù)量等均應全面、周密地考慮。一般采用的分析手段有下列各項:化學分析目的是鑒定零部件用材料是否符合原定要求,有無用

12、錯材料或成分出格,必要時可分析微量元素或進行微區(qū)成分分析。當表面有腐蝕產物時,也應分析腐蝕產物成分;宏觀(低倍)分析主要用于檢查原材料或零部件質量,揭示各種宏觀缺陷;斷口分析對于斷裂失效零部件,斷口分析是最重要的一環(huán)。斷口形貌真實地反映了斷裂過程中材料抵抗外力的能力,記錄了對材料斷裂起決定作用的主裂縫所留下的痕跡。通過對斷口形貌特征的分析,不僅可以得到有關零部件使用條件和失效特點的資料,還可以了解斷口附近材料的性質和狀況,進而可以判明斷裂源、裂紋擴展方向和斷裂順序,確定斷裂的性質,從而找出斷裂的主要原因。斷口分析先用肉眼或低倍實體顯微鏡和立體顯微鏡從各個角度來觀察斷口表面的紋理和特征,然后用電

13、子顯微鏡(特別是掃描電鏡)對有代表性的部位進行深入觀察,以了解斷口的微觀特征;微觀組織分析即用金相顯微鏡、電子顯微鏡鑒定失效分析的顯微組織,觀察非金屬夾雜物,分析組織對性能的影響,檢查鑄、鍛、焊和熱處理等工藝是否恰當,從而由材料的內在因素分析導致失效的原因;力學性能試驗在必要時可以進行某些項目的力學性能試驗,包括斷裂韌性試驗,以校驗該零部件的實際性能是否符合技術要求;其它檢測項目如用X射線衍射儀進行定性(如相)或定量(如殘余奧氏體含量)分析,對受力復雜的零部件進行實驗應力分析等等。(4)判定失效原因進行上述環(huán)節(jié)后,把所得的資料進行綜合分析,搞清失效的過程和規(guī)律,這是失效分析的重要環(huán)節(jié)。斷裂失效

14、原因的分析過程見圖4。一般要從影響零部件失效的結構設計因素、材料因素、工藝因素、裝配因素和服役條件因素中進行全面分析,真正找到導致該零部件早期失效的主導因素。重大的失效分析項目,在初步確定失效原因后,還應及時進行重現(xiàn)性試驗(模擬試驗),以驗證初步結論的可靠性。圖4斷裂失效原因分析思路(5)失效分析的反饋積極的失效分析,其目的不僅在于失效性質和原因的分析判斷,更重要的是反饋到生產實踐中去。由于失效原因涉及到結構設計、材料設計、加工制造及裝配使用、維護保養(yǎng)等各個方面,失效分析結果也要相應地反饋到這些環(huán)節(jié)。在一般情況下,失效分析反饋可按圖5所示的基本思路進行,即從失效分析的結論中獲得反饋信息,據(jù)以確

15、定提高失效抗力的途徑(形成反饋試驗方案),并通過試驗選擇出最佳改進措施。反饋的結果可能是改進設計結構、材料、工藝、現(xiàn)場操作規(guī)程,也可能是綜合改進。圖5失效分析反饋的思路對于機械產品或零部件的設計制造單位,應著重于在結構設計、材料選擇和制造工藝方面的反饋,特別是結構、材料、工藝上的綜合反饋,因為這三者往往很難截然分開。例如在考慮結構因素對零部件強度的影響時,一般要聯(lián)系到材料因素和工藝因素;同樣,在考慮材料強度的影響時,亦必須考慮零部件的結構設計,主要是應力集中對材料強度的影響。在某些情況下,通過改進零部件的形狀、尺寸來提高其失效抗力較之改進材料和工藝更為有效。而當設計結構的改進受到限制時,零部件

16、的應力水平、應力分布和應力狀態(tài)又要求制造零部件的材料和工藝與之相適應(例如幾何形狀復雜、應力狀態(tài)較硬的零部件,要求材料有足夠的塑韌性;帶有尖銳缺口的零部件,要求材料有較低的缺口敏感度等等)。由此可見,在提高零部件的失效抗力時,零部件的結構設計與材料、工藝是相互滲透,相互依賴的。2.3失效分析的辨證方法2.3.1對具體問題進行具體分析(1)不同零部件的外在服役條件是不同的。不同的服役條件,有不同的失效類型及特征;(2)同一材料狀態(tài),在不同服役條件下也表現(xiàn)為不同的失效類型及特征;(3)在不同服役條件下,為了達到失效抗力的優(yōu)化,有不同的材料強度、塑性、韌性的合理配合,即有不同的材料成分、組織、狀態(tài)的

17、最佳搭配;(4)即使在相同的服役條件下,由于零部件結構及裝配不同,零部件的受力情況不同,這種最佳搭配也將隨之變化。2.3.2抓主要矛盾和矛盾的主要方面(1)某一零部件存在兩個以上的失效類型時,應分析和找出主要的失效類型及其主要的失效抗力的表征參量,例如,同時存在斷裂及磨損時,前者是“急性病”,后者一般為“慢性病”,因此應首先抓斷裂失效的分析及防止。(2)抓造成主要失效類型的原因綜合分析,從造成失效的內因與外因中找出主導因素,即矛盾的主要方面。2.3.3注意矛盾的轉化(1)當主要的失效類型解決后,可能原來次要的失效類型上升為影響零部件壽命的主要矛盾,或者出現(xiàn)新的失效類型;(2)當對某一零部件進行

18、結構或工藝改進后,該零部件容易失效的薄弱環(huán)節(jié)轉移,對此要有預見。3失效分析工作展望3.1加速失效學體系的形成和發(fā)展在中國機械工程學會失效分析學會的組織下,我國機電裝備失效分析預測預防實踐和學術方面的重大進展之一,是促進和帶動了一門交叉綜合分支新興學科失效學體系的形成和發(fā)展,從而使失效分析完成了從一門技術門類逐漸提高到一個分支學科的飛躍。這是當代科學技術發(fā)展的結果,是我國幾代失效分析工作者畢生為之奮斗的目標,它將對我國機電裝備失效分析預防工作產生深遠的影響和作用。失效學是研究機電裝備(系統(tǒng)、設備和元器件)的失效分析診斷(簡稱失效診斷)、失效預測和失效預防的理論、技術和方法及其工程應用的分支學科。

19、它的產生是有其近代科學技術進步的深刻背景的?？梢哉J為,近代材料科學和工程、工程力學、斷裂力學等學科對斷裂、腐蝕、磨損及其復合型(或混合型)的失效模式和失效機理的深入研究,積累了相當豐富的創(chuàng)新觀點、見解和物理模型,為失效學的建立奠定了理論基礎;現(xiàn)代的檢測儀器、儀表科學的迅猛發(fā)展,以及檢測技術的不斷提高,特別是斷口、裂紋、痕跡分析技術體系的建立、發(fā)展和完善,為失效學的發(fā)展奠定了技術基礎;數(shù)理統(tǒng)計學科的完善、模糊數(shù)學的突起、可靠性工程的發(fā)展應用和電子計算機的廣泛普及,為失效學的完善奠定了方法基礎。上述三者的融會貫通,使失效學逐漸建立、發(fā)展和完善成為一門相對獨立的、綜合的新興學科成為可能。雖然關于失效

20、學的“基本內容”、“內涵和外延”的雛形早在1985年已有人提出,但是就其體系的系統(tǒng)性和完整性,就其內容的深度和廣度而言,近年來又有了很大的發(fā)展。失效診斷是失效分析的主要任務之一。失效診斷的理論、技術和方法的核心是思維學、推理法則和方法論。3.2失效分析與預測預防一體化近年來,國內外失效分析逐漸與適用性評價、可靠性評估、概率斷裂力學、工況監(jiān)測故障診斷技術、計算機技術及管理科學相結合,將失效事故的分析、預測、預防形成一個系統(tǒng)工程,產生了巨大的經濟效益,如圖6所示。失效預防處于核心部位,失效預防方案的實施(包括五個主要環(huán)節(jié)),必須通過具體工程應用專題,組織有關的設計、制造、運行、管理等部門形成有效的反饋系統(tǒng),最后才能達到實現(xiàn)研究總目標的目的。失效預防方案的形成要依靠失效分析與失效預測兩方面的研究成果。失效模式、失效機理、失效抗力指標的研究、失效案例庫(失效數(shù)據(jù)庫)的建立、計算機輔助失效分析系統(tǒng)的開發(fā)等項課題的研