故障诊断与失效分析课件

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1、故障诊断与失效分析,何柏林教授/博士 华东交通大学 0791-87046116 ,1. 故障诊断与失效分析概述,2. 断口分析,3.磨损分析,主要内容,4.失效分析的系统工程方法,第一章故障诊断与失效分析概述,第一节失效分析的意义及名词 1失效 产品丧失规定的功能（包括规定功能的完全丧失，也包括规定功能的降低）称为失效，对于可修复的产品，通常称之为故障。 失效:涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。 产品：按ISO9000定义，产品是过程的输出。产品一词在失效分析及其相关领域特指成品。 可修复产品：当产品丧失规定功能时，按规定的程序和方法进行维修后，可恢复规定功能的产品。一

2、个产品是否需要修复，是一个相对的概念，受到多方面因素的制约。首先要看技术上是否可行，其次要看经济上是否合理，再次要看时间上是否允许等等。,功能：功能是指作为产品必须完成的事项，指产品的功用和用途。 规定的功能：规定的功能是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对产品适用、安全和其它特性的要求。它既是产品质量的核心，也是产品是否失效的判据。 丧失：产品在商品流通或使用过程中失去了原有规定的功能（或降低到规定功能以下），也就是说，产品规定的功能有一个从有到无、从合格到不合格的过程。这种功能的丧失可能是暂时的、简短的或永久性的；可能是部分的、全部的；丧失可能快也可能慢；丧失规定的功能，经过

3、修理后有可能恢复，也可能无法恢复。,失效的种类是很多的。一般情况失效可作如下分类。 1.1按失效原因划分 误用失效：未按规定条件使用产品而引起的失效； 本质失效：由于产品本身固有的弱点而引起的失效，与是否按规定条件使用无关； 早期失效：由于产品在设计、制造或检验方面的缺陷等原因而引起的失效。一般情况下，新产品在研究和试制阶段出现的失效，多为早期失效。一般来说，早期失效可通过强化试验找出失效原因并加以排除。 偶然时效（随机失效）：产品因为偶然因素而发生失效，通常是产品完全丧失规定功能。既不能通过强化试验加以排除，采取良好维护措施也不能避免，在什么时候发生也无法判断。 耗损失效：产品由于磨损、疲劳

4、、老化、损耗等原因而引起的失效，它往往是产品的输出特性变坏，但仍有一定的工作能力。,1.2按失效程度划分 完全失效：完全丧失规定功能的失效； 部分失效：产品的性能偏离某种规定的界限，但尚未完全丧失规定功能的失效。,1.3按失效的时间特性划分 突然失效：通过事先的检测或监控不能预测到的失效； 渐变失效：通过事先的检测或监控就可以预料到的失效。产品的规定功能是逐渐减退的，但开始该过程的时间不明显。,1.4按失效后果的严重程度划分 致命失效：导致重大损失的失效； 严重失效：能导致复杂产品完成规定功能的能力降低的产品组成单元的失效； 轻度失效：指不致引起复杂产品完成规定功能的能力降低的产品组成单元的失

5、效。,1.5按失效的独立性划分 独立失效：不是因为其它产品的失效而引起的本产品的失效； 从属失效：是因为其它产品的失效而引起的本产品的失效。,1.6按失效的关联性划分 关联失效：在解释试验结果或计算可靠性特征数值时必须计入的失效； 非关联失效：在解释试验结果或计算可靠性特征数值时不应计入的失效；,产品的零件失效，并不总会引起产品的不可靠。对于复杂的产品，会有这样的零件，它的失效不一定会引起产品基本特性偏离规定界限之外。例如，车厢内的照明灯，对于汽车的可靠性没有影响，在计算产品的可靠性时，该零件的失效不予考虑。,2失效分析,机件失效，特别是那些事先没有明显征兆的失效，有时会带来巨大的经济损失，甚

6、至会造成严重的人身事故。因此，对失效的零件进行分析，找出失效原因，提出改进和防范措施，对于提高产品质量，杜绝类似事故再次发生是十分重要的。 失效分析的目的不只是要判断机件的失效原因，更重要的是为预防失效找到有效的途径。前者是后者的基础，后者是前者的继续，两者是不可分割的。,2.1失效分析的定义：,研究产品潜在的或显在的失效机理，发生率及失效的影响，或为决定改进措施而进行的系统调查研究。,潜在的和显在的事前、事中、事后分析 谈到失效分析，往往只着眼于工程中、试验或使用后发生的显在异常或失效。但从预防的角度来看，应尽量追溯其起源、源流，“抓住不好的苗头”。即应重视包括预测和预报技术（模拟、环境试验

7、、有限元、应力分析、FMEA(Failure Mode and Effect Analysis,失效模式及效应分析)、FTA（Failure Tree Analysis，故障树分析）、FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis，失效模式、效应及危害度分析）、ETA等）的事前和事中的失效分析。,事前分析：应用于设计、开发、制造阶段的预测分析。主要包括：工程计算、可靠度计算、故障率的评价、FTA、FMEA、ETA等，以及零部件外购阶段的评价和认定等外购管理。 事中分析：在制造阶段中的制造、生产设备，使用中产品异常的预测、状态监视维护及状态监

8、视。 事后分析：事后通过追究制造、试验和使用等各阶段发生不良情况和异常情况，以及失效现场分析，根据现象产生的原因及再现实验提出进一步改善的措施。 最典型的失效分析是事后分析，以失效分析的目的上看，它是改善和排除失效原因的预防工作。,机理、发生率、失效的影响质的和量的分析 关于机理，不仅需要质的评价，也需要发生率这一量的评价。 质的、功能的分析固有技术分析、应力分析、功能和环境试验、再现实验、材料和物性论的分析、可靠性方框图、FMEA、FTA（功能面）的利用等。 量的分析工程计算、模拟、失效率的预测、变化率和渐变失效的预测等。统计、概率分布、用概率纸分析、累积风险性分析、多变量分析、实验设计法等

9、。,改进措施和系统的调查研究 失效分析方法本身的开发是非常重要的。失效机理的探求归根到底涉及到产品寿命的全过程，可以必须有组织的、有系统的，而不是零星的、片断的调查结果而告终。 在追溯导致失效原因的过程中，获得和整理必要的信息也是不可缺少的。不论是否提出改进措施，一定要汇编成报告书，进而编入事例集及输入数据库，供事前分析和防止再发生失效使用。,2.2失效具有绝对性,从人类认识客观世界的历史长河来说，人的认识是有限的，而客观世界是无限的。 失效是人们的主观认识与客观事物相互脱离的结果，失效发生与否是不以人的主观意志为转移的。 因此，失效是绝对的，而安全则是相对的，失效具有绝对性,2.3失效分析具

10、有原创性,失效分析是人们认识客观物理本质和发展规律的逆向思维和探索，是对正向思维和研究的不可或缺的重要方法和补充； 失效分析是变失效（失败）为安全（成功）的基本环节和关键； 失效分析是人们深化客观事物认识的知识源头和途径。 因此，失效分析具有原创性。,2.4失效及其分析具有普遍性,失效分析、改进提高、再失效分析研究、再提高发展，如此往复循环、螺旋上升、发展飞跃，就是人类科学技术发展历史、乃至于社会发展历史的全过程。 因此，广义地说，科学技术发展史、社会发展史都是人类与广义的失效不断作斗争、变失败（失效）为成功（安全）的历史。 因此，失效及其分析具有普遍性。,2.5失效分析的复杂性 构件（或产品

11、）的失效原因是非常复杂的，它涉及到机构设计、可靠性工程、材料选择、加工制造、装配调整、故障诊断及使用与保养等许多因素。正确进行失效分析就必须综合运用工程力学、可靠性理论、故障诊断理论、物理化学、金属学、材料科学、加工工艺学及理化测试技术等多方面的知识。因此，失效分析是复杂的，是一门综合性的技术科学。,第二节机械产品的失效类型及影响因素,本节不去分析影响机械产品失效的各种因素，而只是从金属的力学性能角度出发，根据失效分析提出的失效抗力指标技术，运用金属学、材料科学、金属材料强度学等基本知识，介绍影响失效抗力指标的冶金因素，为从金属材料方面提高失效抗力指出方向。,2.1机械产品的失效类型和相应的抗

12、力指标,2.1.1故障模式的基本概念 在我国军标（GJB45189可靠性维修术语）中，故障模式的定义是：故障的表现形式。更确切的说，故障模式一般是对产品所发生的，能被观察或测量到的故障现象的规范的描述。 在分析产品故障时，一般是从产品故障的现象入手，通过故障现象（故障模式）找出故障原因和故障机理。对机械产品而言，故障模式的识别是进行故障分析的基础之一。,故障模式可能是系统的，如发动机不能运动；也可能是某一部件，如传动箱有异常音响；也可能就是某一具体的零件，如履带板断裂，油管破裂等。因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系。如“发动机损坏”这一故障模式是它上一层次“汽车不能开动”

13、的因，又是它下一层次故障模式“连杆疲劳断裂”的果。,故障模式层次表,2.1.2零件常见的故障模式,由于机械产品种类繁多，在这里不可能逐个列举各产品的故障模式，这里重要分析机械零件的故障模式。,将机械零件的故障模式概括为材料的损害类型，并根据材料的力学性能提出相应的抗力指标（见下表）,2.2影响失效抗力的冶金因素,2.2.1对裂纹萌生与扩展的影响（界面因素） 裂纹是一切破坏的起源。除因表面的应力集中或材料内部宏观缺陷引起以外，涉及到冶金因素关系就微观尺度而言： 裂纹萌生：晶界面 晶界、亚晶界、弯晶界、滑移带界面、解理面 相界面 脆性第二相界面、韧性第二相界面 改善界面的物理、化学、力学状态，可以

14、抑制裂纹的萌生，提高疲劳和断裂抗力。,裂纹的扩展总是沿着能量消耗最小的方向，阻力最小的逾径进行的。为延缓裂纹的扩展，提高裂纹扩展阻力，可从以下方面着手： 采用微量合金化、强韧化工艺，使裂纹扩展机制由沿晶脆断转换为沿晶界韧窝断裂或转换为穿晶韧窝断裂。 在材料中有意识地设置种种障碍。如获得一定数量的韧性第二相（F、A），细化晶粒。提高工件使用寿命。 通过适当的热处理工艺，改变材料的组织（单向或复相）的形态、大小、数量和分布，增大裂纹扩展的阻力。,2.2.2晶粒大小的影响 细化晶粒是一种既强化又韧化的有效措施 业已发现，其它力学性能指标、Kth、K1c等在一定条件下也有类似的关系。,2.2.3非金属

15、夹杂物的影响 一次断裂中， 、 、（）对夹杂物不敏感，而 、 、K1c对夹杂物敏感。 对疲劳断裂的影响 使光滑和缺口疲劳强度下降。,2.2.4杂质元素在晶界偏聚的危害 杂质元素在晶界偏聚可引起回火脆性、低温冷脆、晶间疲劳、晶间应力腐蚀、氢脆、高温蠕变断裂等。可采取以下措施： 降低杂质元素含量（精炼）； 加入Al、Ti固定S、O、N减少偏聚； 加入Mo、W减缓Pb、P、Sn等的间隙扩散，控制第二类回火脆； 细化晶粒，使晶间偏聚浓度降低； 两相区淬火； 利用复合偏聚作用。如加Re，可使P、Sn等偏聚减少，加B可使C在晶界偏聚减少；,2.2.5残余内应力 尽量造成残余压应力，使疲劳性能增加。 1)垂

16、击; 2)滚压; 3)超声冲击； 4）热处理,第三节失效分析的基本内容和故障诊断的基本类型,3.1失效分析的基本内容 发生故障的部件，零件虽各不相同，其分析方法与步骤也各有差异，但故障分析的基本程序却是共同的。 机械故障原因分析的通用程序 ：,1、现场调查 收集背景数据和使用条件 部件发生故障的日期、时间、工作温度和环境； 部件损坏的程度，部件故障发生的顺序； 故障发生时的操作阶段，故障件有无反常情况或不正常的音响； 对故障部件及其邻近范围部件进行拍照或画草图； 在使用过程中可以导致故障的任何差错； 使用人员的技术水平和对故障的看法；,（2）故障现场摄像或照相的重点是： 对有可能迅速改变更位置的事，应尽快地拍照。它包括： 设备 仪表指示的读数和控制的位置； 可能被天气、来往行人、车辆或清扫人员去掉的证据； 例如，地面上的痕迹，受热的证据，液体等等。 正在燃烧的火灾，摄取烟和火焰的彩色图像。调查人员可以分析燃烧材料的种类和温度的高低等信息。 对整个故障现场要有足够的表示。在特写镜头中，