失效分析的任務(wù)

1、失效分析的任務(wù)、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(wù);以防止失效為出發(fā)點(diǎn),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(guān)鍵詞：失效分析;失效分析反饋;失效預(yù)測預(yù)防 美國金屬手冊認(rèn)為,機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列三種狀態(tài)之一時(shí),就可定義為失效:當(dāng)它完全不能工作時(shí);仍然可以工作,但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能時(shí);受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用,必須立即從產(chǎn)品或裝備拆下來進(jìn)行修理或更換時(shí)。機(jī)械產(chǎn)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(jī)械產(chǎn)品及零部件的失效是一個(gè)由損傷(裂紋)萌生、擴(kuò)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(gè)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(jī)械產(chǎn)品及零部件在整個(gè)使用壽命期內(nèi)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(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的比率來描述失效的發(fā)展過程。那么在不進(jìn)行預(yù)防性維修的情況下,失效率()與其工作時(shí)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(jī)械產(chǎn)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(shè)計(jì)和制造上的缺陷而誘發(fā)的失效。因?yàn)槭褂贸跗?容易暴露上述缺陷而導(dǎo)致失效,因此失

3、效率往往較高,但隨著使用時(shí)間的延長,其失效率則很快下降。假若在產(chǎn)品出廠前即進(jìn)行旨在剔除這類缺陷的過程,則在產(chǎn)品正式使用時(shí),便可使失效率大體保持恒定值。(2)隨機(jī)失效在理想的情況下,產(chǎn)品或裝備發(fā)生損傷或老化之前,應(yīng)是無“失效”的。但是由于環(huán)境的偶然變化、操作時(shí)的人為差錯(cuò)或者由于管理不善,仍可能產(chǎn)生隨機(jī)失效或稱偶然失效。偶然失效率是隨機(jī)分布的,其很低而且基本上是恒定的。這一時(shí)期是產(chǎn)品最佳工作時(shí)間。偶然失效率()的倒數(shù)即為失效的平均時(shí)間。(3)耗損失效又稱損傷累積失效。經(jīng)過隨機(jī)失效期后,產(chǎn)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(jìn)入耗損失效期之前進(jìn)

4、行必要的預(yù)防維修,它的失效率仍可保持在隨機(jī)失效率附近,從而延長產(chǎn)品的隨機(jī)失效期。1失效分析的意義與任務(wù)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(zhì)、分析失效原因、研究失效事故處理方法和預(yù)防措施的技術(shù)活動(dòng)及管理活動(dòng),統(tǒng)稱失效分析。失效分析預(yù)測預(yù)防是使失敗轉(zhuǎn)化為成功的科學(xué),是產(chǎn)品或裝備安全可靠運(yùn)行的保證,是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑,是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)有力杠桿,是許多重大法律、法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)。它著眼于整個(gè)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(yù)防產(chǎn)品或裝備同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生,從而減少經(jīng)濟(jì)損失或提高產(chǎn)品質(zhì)量。(2)失效是產(chǎn)品質(zhì)量控制網(wǎng)發(fā)生偏差的反映,失效分析是可

5、靠性工程的重要基礎(chǔ)技術(shù)工作,是產(chǎn)品全面質(zhì)量管理中的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。(3)失效分析可為技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步提供信息、方向、途徑和方法。(4)失效分析可為裁決事故責(zé)任、偵破犯罪案例、開展技術(shù)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)、修改和制訂產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等提供可靠的科學(xué)技術(shù)依據(jù)。(5)失效分析可為各級領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行宏觀經(jīng)濟(jì)和技術(shù)決策提供重要的科學(xué)的信息來源。1.2失效分析的任務(wù)失效分析預(yù)測預(yù)防的總?cè)蝿?wù)就是不斷降低產(chǎn)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(jìn)經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來看,失效分析的具體任務(wù)可歸納為:失效性質(zhì)的判斷;失效原因的分析;采取措施,提高材料或產(chǎn)品的失效抗力。近

6、代材料科學(xué)和工程力學(xué)對破斷、腐蝕、磨損及其復(fù)合型(或混合型)的失效類型和失效機(jī)理做了相當(dāng)深入的研究,積累了大量的統(tǒng)計(jì)資料,為失效類型的判斷、失效機(jī)理及失效原因的解釋奠定了基礎(chǔ)。發(fā)展中的可靠性工程及完整性與適用性評價(jià)是預(yù)測、預(yù)防和控制失效的技術(shù)工作和管理工作的基礎(chǔ)?？煽啃怨こ淌沁\(yùn)用系統(tǒng)工程的思想和方法,權(quán)衡經(jīng)濟(jì)利弊,研究將設(shè)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(jià)則是研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中原有缺欠和使用中新產(chǎn)生的或擴(kuò)展缺陷對可靠性的影響,判斷結(jié)構(gòu)的完整性及是否適合于繼續(xù)使用,或是按預(yù)測的剩余壽命監(jiān)控使用,或是降級使用,或是返修或報(bào)廢的定量評價(jià)。產(chǎn)品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)

7、的判斷和失效原因的明確,而更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效的途徑。通過失效分析,找到造成產(chǎn)品或裝備失效的真正原因,從而建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用與保養(yǎng)方面主要的失效抗力指標(biāo)與措施,特別是確定這種失效抗力指標(biāo)隨材料成分、組織和狀態(tài)變化的規(guī)律,運(yùn)用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、工程力學(xué)等方面的研究成果,提出增強(qiáng)失效抗力的改進(jìn)措施。既能得到提高產(chǎn)品或裝備承載能力和使用壽命,又可做到充分發(fā)揮產(chǎn)品或裝備的使用潛力,使材盡其用,這是產(chǎn)品或裝備失效分析、預(yù)測預(yù)防研究的重要目的與內(nèi)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(jī)械裝備零件失效事故的基本思路?？梢?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(gè)方面。其基本思路是:(1)對具體服役條件下的零部件進(jìn)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(biāo)。(2)運(yùn)用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)和斷裂物理、化學(xué)、力學(xué)的研究成果,深入分析各種失效現(xiàn)象的本質(zhì),以主要失效抗力指標(biāo)與材料成分、組織、狀態(tài)的關(guān)系,提出改進(jìn)措施。(3)根據(jù)“不同服役條件要求材料強(qiáng)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(shù)條件是否合理,是否受舊的傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀念束縛。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技術(shù)條件規(guī)定

9、,如果把它當(dāng)成金科玉律,則會犯分析上的錯(cuò)誤,對防止零部件失效不利。(4)采用局部復(fù)合強(qiáng)化,克服零部件上的薄弱環(huán)節(jié),爭取達(dá)到材料的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。(5)在進(jìn)行失效分析和提出防止失效的措施時(shí),還應(yīng)做到幾個(gè)結(jié)合:設(shè)計(jì)、材料、工藝相結(jié)合,即對形狀、尺寸、材料、成型加工和強(qiáng)化工藝統(tǒng)一考慮;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(力學(xué)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析)與材料強(qiáng)度相結(jié)合,試棒試驗(yàn)與實(shí)際零部件臺架模擬試驗(yàn)相結(jié)合;宏觀規(guī)律與微觀機(jī)理相結(jié)合,宏觀斷口和微觀斷口分析相結(jié)合,宏觀與顯微、亞顯微組織分析相結(jié)合;試驗(yàn)室規(guī)律性試驗(yàn)研究與生產(chǎn)試驗(yàn)相結(jié)合。2.2失效分析的程序進(jìn)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(gè)失效分析過程中,應(yīng)重點(diǎn)抓住以下幾個(gè)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(jī)器中的部位和作用、材料牌號、處理狀態(tài)等基本情況外,應(yīng)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(guān)圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始,了解冶煉、鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理、化學(xué)熱處理、拋光、磨削、各種表面強(qiáng)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(zhì)、加載次序、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、工作溫度外,應(yīng)特別注意環(huán)境細(xì)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(zhì)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(jìn)行任何清洗之前都應(yīng)經(jīng)過徹底的外觀檢查,

11、用攝相等方法詳細(xì)做好記錄。重點(diǎn)檢查內(nèi)容為:觀察整個(gè)零部件的變形情況,看是否有鐓粗、下陷、內(nèi)孔擴(kuò)大、彎曲、頸縮等;觀察零部件表面冷熱加工質(zhì)量,如有無過燒、折疊、斑疤等熱加工缺陷,有無刀痕、刮傷等機(jī)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(yīng)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(diǎn)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(yàn)室檢驗(yàn)在檢驗(yàn)前,對試驗(yàn)項(xiàng)目和順序、取樣部位、取樣方法、試樣數(shù)量等均應(yīng)全面、周密地考慮。一般采用的分析手段有下列各項(xiàng):化學(xué)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(cuò)材料或成分出格,必要時(shí)可分析微量元素或進(jìn)行微區(qū)成分分析。當(dāng)表面有腐蝕產(chǎn)物時(shí),也應(yīng)分析腐蝕產(chǎn)物成分;宏觀(低倍)分析主要用于檢查原材料或零部件質(zhì)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(shí)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(guān)零部件使用條件和失效特點(diǎn)的資料,還可以了解斷口附近材料的性質(zhì)和狀況,進(jìn)而可以判明斷裂源、裂紋擴(kuò)展方向和斷裂順序,確定斷裂的性質(zhì),從而找出斷裂的主要原因。斷口分析先用肉眼或低倍實(shí)體顯微鏡和立體顯微鏡從各個(gè)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(jìn)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(dāng),從而由材料的內(nèi)在因素分析導(dǎo)致失效的原因;力學(xué)性能試驗(yàn)在必要時(shí)可以進(jìn)行某些項(xiàng)目的力學(xué)性能試驗(yàn),包括斷裂韌性試驗(yàn),以校驗(yàn)該零部件的實(shí)際性能是否符合技術(shù)要求;其它檢測項(xiàng)目如用X射線衍射儀進(jìn)行定性(如相)或定量(如殘余奧氏體含量)分析,對受力復(fù)雜的零部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等等。(4)判定失效原因進(jìn)行上述環(huán)節(jié)后,把所得的資料進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素、材料因素、工藝因素、裝配因素和服役條件因素中進(jìn)行全面分析,真正找到導(dǎo)致該零部件早期失效的主導(dǎo)因素。重大的失效分析項(xiàng)目,在初步確定失效原因后,還應(yīng)及時(shí)進(jìn)行重現(xiàn)性試驗(yàn)(模擬試驗(yàn)),以驗(yàn)證初步結(jié)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(zhì)和原因的分析判斷,更重要的是反饋到生產(chǎn)實(shí)踐中去。由于失效原因涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、加工制造及裝配使用、維護(hù)保養(yǎng)等各個(gè)方面,失效分析結(jié)果也要相應(yīng)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(jìn)行,即從失效分析的結(jié)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(yàn)方案),并通過試驗(yàn)選擇出最佳改進(jìn)措施。反饋的結(jié)果可能是改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝、現(xiàn)場操作規(guī)程,也可能是綜合改進(jìn)。圖5失效分析反饋的思路對于機(jī)械產(chǎn)品或零部件的設(shè)計(jì)制造單位,應(yīng)著重于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝方面的反饋,特別是結(jié)構(gòu)、材料、工藝上的綜合反饋,因?yàn)檫@三者往往很難截然分開。例如在考慮結(jié)構(gòu)因素對零部件強(qiáng)度的影響時(shí),一般要聯(lián)系到材料因素和工藝因素;同樣,在考慮材料強(qiáng)度的影響時(shí),亦必須考慮零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要是應(yīng)力集中對材料強(qiáng)度的影響。在某些情況下,通過改進(jìn)零部件的形狀、尺寸來提高其失效抗力較之改進(jìn)材料和工藝更為有效。而當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)受到限制時(shí),零部件

16、的應(yīng)力水平、應(yīng)力分布和應(yīng)力狀態(tài)又要求制造零部件的材料和工藝與之相適應(yīng)(例如幾何形狀復(fù)雜、應(yīng)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(shí),零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)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(dá)到失效抗力的優(yōu)化,有不同的材料強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(gè)以上的失效類型時(shí),應(yīng)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(shí)存在斷裂及磨損時(shí),前者是“急性病”,后者一般為“慢性病”,因此應(yīng)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(nèi)因與外因中找出主導(dǎo)因素,即矛盾的主要方面。2.3.3注意矛盾的轉(zhuǎn)化(1)當(dāng)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(dāng)對某一零部件進(jìn)行

18、結(jié)構(gòu)或工藝改進(jìn)后,該零部件容易失效的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移,對此要有預(yù)見。3失效分析工作展望3.1加速失效學(xué)體系的形成和發(fā)展在中國機(jī)械工程學(xué)會失效分析學(xué)會的組織下,我國機(jī)電裝備失效分析預(yù)測預(yù)防實(shí)踐和學(xué)術(shù)方面的重大進(jìn)展之一,是促進(jìn)和帶動(dòng)了一門交叉綜合分支新興學(xué)科失效學(xué)體系的形成和發(fā)展,從而使失效分析完成了從一門技術(shù)門類逐漸提高到一個(gè)分支學(xué)科的飛躍。這是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,是我國幾代失效分析工作者畢生為之奮斗的目標(biāo),它將對我國機(jī)電裝備失效分析預(yù)防工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和作用。失效學(xué)是研究機(jī)電裝備(系統(tǒng)、設(shè)備和元器件)的失效分析診斷(簡稱失效診斷)、失效預(yù)測和失效預(yù)防的理論、技術(shù)和方法及其工程應(yīng)用的分支學(xué)科。

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

20、學(xué)的“基本內(nèi)容”、“內(nèi)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(nèi)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(wù)之一。失效診斷的理論、技術(shù)和方法的核心是思維學(xué)、推理法則和方法論。3.2失效分析與預(yù)測預(yù)防一體化近年來,國內(nèi)外失效分析逐漸與適用性評價(jià)、可靠性評估、概率斷裂力學(xué)、工況監(jiān)測故障診斷技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及管理科學(xué)相結(jié)合,將失效事故的分析、預(yù)測、預(yù)防形成一個(gè)系統(tǒng)工程,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,如圖6所示。失效預(yù)防處于核心部位,失效預(yù)防方案的實(shí)施(包括五個(gè)主要環(huán)節(jié)),必須通過具體工程應(yīng)用專題,組織有關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、管理等部門形成有效的反饋系統(tǒng),最后才能達(dá)到實(shí)現(xiàn)研究總目標(biāo)的目的。失效預(yù)防方案的形成要依靠失效分析與失效預(yù)測兩方面的研究成果。失效模式、失效機(jī)理、失效抗力指標(biāo)的研究、失效案例庫(失效數(shù)據(jù)庫)的建立、計(jì)算機(jī)輔助失效分析系統(tǒng)的開發(fā)等項(xiàng)課題的研