失效分析基本方法课件

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1、3 失效分析基本方法,1,3.1失效分析的方法及程序,相关性分析的思路及方法 系统工程的分析思路及方法 数理统计分析思路及方法,2,相关性分析的思路及方法 一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。,1. 按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法 2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法 3. “四M”分析思路及方法,3,1按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法 （1）审查设计 如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。 （2）材料分析 材料选用不正确，热处

2、理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。 （3）加工制造缺陷分析 铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。 （4）使用及维护情况分析 超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。,4,2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法 较为常用的分析方法。一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找

3、出失效的原因。,5,3. “四M”分析思路及方法 所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作。 （1）操作人员情况的分析 如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。 （2）环境情况的分析 主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。 （3）设备情况的分析 主要指的是材料的选择，结构设

4、计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。 （4）管理情况的分析 如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全 ，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。,6,失效系统工程分析法 失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。,7,失效系统工程分析法主要类型： （1）故障树分析法（简称FTA法） （2）特征因素图分析法 （3）事件时序树分析法（简称 ETA法） （4）故障率预测法 （5）失效模式及后果分析法（简称FMEA

5、法） （6）模糊数学分析法,8,2故障树分析法 基本概念 故障树分析法是美国委记贝尔电话研究所于1961年首先提出来的。故障树分析的概念来自数学图论中树的概念和计算机算法符号。在分析中把分析的设备叫做系统，把组成该设备的零件叫组元。零件的工作状态用一些参数（压力、温度、流量）来描述。 每种零件都处于两种状态（完好与失效）中的一种。因此，设备也处于两种状态中的一种：正常或失效。所谓故障树分析就是分析各种事件（系统组元的状态变化）之间的逻辑关系，分清正常事件和异常事件（失效事件），再找出失效原因。,9,故障树分析法的特点 它可以查明与事故发生有关的所有原因；作为一种手段，利用树形图可把分析过程和结

6、果表示出来，并可以很方便地计算出系统失效的概率。因而它是对一个复杂的设备系统进行失效分析的重要工具。,10,工作程序 确定不希望发生的事件（上端事件）； 对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进 行分析； 采用手工或计算机合成故障树； 求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目 的基本事件的集合； 收集计算时必须的故障率数据； 计算上端事件发生的概率； 对基本事件的重要度作评价； 分析计算结果，提出改进措施。,11,所用符号 故障树是一种逻辑图，是根据一定的逻辑方式把一些特殊符号连接起来的树形图。通常在故障树中出现的符号大体上可分为逻辑门符号、故障事件符号和其它符号三类。 故障树的合成 根据

7、系统及其故障的已知数据和资料，绘制故障树。在采用手工合成故障树时，一边反复提出问题一边对树进行展开。对各个门事件提出的问题是：该事件是由于单一组元的故障引起的，还是由另外什么组元的故障引起的？引起该事件的必要且充分故障是什么？将图展开到基本事件（原因）或没有必要再发展的事件为止。,11,11,12,如图是一个冷却剂的供应系统，该系统是由恒速泵、热交换器、控制阀、蓄水池及管道五个组元组成的。该系统的作用是对主要设备供应足够的冷却剂。因此，流到热交换器的冷却剂最少则为故障树的上端事件。为分析其失效原田而绘制故障树。,例,13,14,15,15,15,15,15,（三）数理统计分析思路及方法 巴特雷

8、图,相关性分析 灰色关联分析,16,失效分析的一般程序 机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。一般说来，大体上包括： 调查失效事件的现场， 收集背景材料， 深入研究分析， 综合归纳所有信息并提出初步结论， 重现性试验或证明试验， 确定失效原因并提出建议措施， 写出分析报告等内容。,17,失效分析的步骤 l、现场调查 （1）保护现场 （2）查明事故发生的时间、地点及失效过程 （3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。 （4）选取进一步分析的试样，。 （5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况。 （6）写出现场调查报告。,18,收集背景

9、材料 （1）设备的自然情况 （2）设备的运行记录 （3）设备的维修历史情况 （4）设备的失效历史情况 （5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用 维护说明书 （6）材料选择及其依据 （7）设备主要零部件的生产流程 （8）质量检验报告及有关的规范和标准,19,技术参量复验 （1）材料的化学成分 （2）材料的金相组织及硬度 （3）常规力学性能 （4）主要零部件的几何参量及装配间隙,20,4深入分析研究 （1）失效产品的直观检查（变形。损伤情况，裂纹扩展，断裂源） （2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜） （3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、超声波等） （4）表面及界面

10、成分分析（俄歇能谱） （5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针） （6）相结构分析（X射线衍射法） （7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核,21,5 综合分析归纳，推理判断提出初步结论 根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。 6重现性试验或证明试验 重大事件 7撰写失效分析报告 失效分析报告与科学研究报告相比较，除了在应写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。失效分析侧重于失效增况的调查、取证和验证

11、，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。,22,机械产品的失效分析报告通常应包括的内容 （1）概述 首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。 （2）失效事件的调查结果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况。当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。 （3）分析结果 为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。对于断裂件的分

12、析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。 （4）问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。 （5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实可行。写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。,23,断口分析 断口处理及断口分析的任务 断口的宏观分析 断口的微观分析,24,1 断口处理及断口分析的任务,断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌

13、特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。 断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断口形貌。微观分析，既包括微观形貌分析又包括断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。 在对断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。,25,3.2.1断裂的基本分类 1. 延性断裂与脆性断裂 断裂前如有宏观塑性变形延性断裂 断裂前如无宏观塑性变形脆性断裂 2. 穿晶断裂与沿晶断裂 裂纹扩展是穿过晶粒内部的穿晶断裂 裂纹扩展是沿着晶粒晶界的沿晶断裂 穿晶断裂可分： 脆性断裂穿过晶粒，沿晶体的解理面裂开，无塑性变形 延性断裂穿过晶粒，晶粒本身有明显塑性变形,26,3.

14、2.2断口处理及断口分析的任务 1 断口的处理 （1）在干燥大气中断裂的新鲜断口 防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面； （2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。 （3）在潮湿大气中锈蚀的断口。 （4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往非常重要。 腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。,27,2. 断口分析的任务 （l）确定断裂的宏观性质。塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。 （2）确定断口的宏观形貌。纤维状断口/结晶状断口；有无放射线花样及有无剪切唇等； （3）查找裂纹源区的位置及数量。裂纹源区的所在位置是在表面、次表面还是

15、在内部，裂纹源区是单个还是多个，在存在多个裂草源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等； （4）确定断口的形成过程。裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的速度如何等； （5）确定断裂的微观机制。解理型/准解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等； （6）确定断口表面产物的性质。断口上有无腐蚀产物或其他产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。,28,3.2.3 断口的宏观分析方法,29,生产中的产品检验： 利用断口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸件的浇注工艺； 用断口法检查渗碳件渗层的厚度，以便确定渗碳件的出炉时间； 用断口法检查高频淬火件的淬硬层厚度，以便确定合理的感应器设计及淬火工艺；

16、用断口法确定高速钢的淬火质量； 用断口法检查铸锭及铸件的冶金质量（如有无疏松、来杂、气孔、折迭、分层、白点及氧化膜等）。,30,断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力（正应力及切应力）间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。 断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础,31,1.最初断裂件的判断 分析对象是一个复杂的大型机组或是一组同类零件中的多个发生断裂。 （1）整机残骸的失效分析 整机残骸的分析通常称为残骸的顺序分析。即根据残骸上的碰伤、划痕及其破坏特征分析整机破坏的先后顺序，由大部件到小部件，再到