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1、失效分析的任务、方法及其展望摘要：概述了失效与失效分析的概念，以及失效分析的意义、作用和任务；以防止失效为出发点，论述了失效分析的工作思路、程序和辩证方法；展望了失效分析的未来。关键词：失效分析;失效分析反馈；失效预测预防美国金属手册认为，机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时，就可定义为失效：当它完全不能工作时;仍然可以工作，但已不能令人满意地实现预期的功能时；受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。机械产品及零部件的失效是一个由损伤（裂纹）萌生、扩展（积累）直至破坏的发展过程
2、。不同失效类型其发展过程不同，过程的各个阶段发展速度也不相同。例如疲劳断裂过程一般较长，发展速度较慢，而解理断裂失效过程则很短速度很快，等等。机械产品及零部件在整个使用寿命期内失效发生的规律可用“寿命特性曲线”来说明，即用失效率（入）单位时间内发生失效的比率来描述失效的发展过程。那么在不进行预防性维修的情况下，失效率（入）与其工作时间（t）之间具有图1所示的典型失效曲线，俗称“浴盆曲线”。按照“浴盆曲线”的形状，即按照机械产品使用的过程，可将失效分为三类。图1失效率浴盆曲线（1）早期失效是在使用初期，由于设计和制造上的缺陷而诱发的失效。因为使用初期，容易暴露上述缺陷而导致失效，因此失效率往往较
3、高，但随着使用时间的延长，其失效率则很快下降。假若在产品岀厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程，则在产品正式使用时，便可使失效率大体保持恒定值。随机失效在理想的情况下,产品或装备发生损伤或老化之前,应是无“失效”的。但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理不善,仍可能产生随机失效或称偶然失效。偶然失效率是随机分布的,其很低而且基本上是恒定的。这一时期是产品最佳工作时间。偶然失效率(入)的倒数即为失效的平均时间。耗损失效又称损伤累积失效。经过随机失效期后,产品中的零部件已到了寿命后期,于是失效开始急剧增加这种失效叫做耗损失效或损伤累积失效。如果在进入耗损失效期之前进行必要的预防维修,它的
4、失效率仍可保持在随机失效率附近,从而延长产品的随机失效期。1.1 1失效分析的意义与任务失效分析及其意义按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动统称失效分析。失效分析预测预防是使失败转化为成功的科学,是产品或装备安全可靠运行的保证,是提高产品质量的重要途径是科学技术进步的强有力杠杆,是许多重大法律、法规及技术标准制定的依据。它着眼于整个失效的系统工程分析。其意义和作用在于:(1) 失效分析可减少和预防产品或装备同类失效现象重复发生,从而减少经济损失或提高产品质量。(2) 失效是产品质量控制网发生偏差的反映,失效分析是可靠性工程的重要基础技
5、术工作,是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键技术环节。(3) 失效分析可为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。(4) 失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。(5) 失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。1.2 失效分析的任务失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:失效性质的判断;失效原因的分析采取措施,提高材料或产品的失效抗力。近代材料科学和工
6、程力学对破断、腐蚀、磨损及其复合型(或混合型)的失效类型和失效机理做了相当深入的研究,积累了大量的统计资料,为失效类型的判断、失效机理及失效原因的解释奠定了基础。发展中的可靠性工程及完整性与适用性评价是预测、预防和控制失效的技术工作和管理工作的基础。可靠性工程是运用系统工程的思想和方法,权衡经济利弊,研究将设备(系统)的失效率降到可接受程度的措施。完整性和适用性评价则是研究结构或构件中原有缺欠和使用中新产生的或扩展缺陷对可靠性的影响,判断结构的完整性及是否适合于继续使用,或是按预测的剩余寿命监控使用,或是降级使用,或是返修或报废的定量评价。产品或装备失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原
7、因的明确，而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析，找到造成产品或装备失效的真正原因，从而建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施，特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化的规律，运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果，提岀增强失效抗力的改进措施。既能得到提高产品或装备承载能力和使用寿命，又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力，使材尽其用，这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容。2.1 2失效分析的思路及程序防止失效的思路图2是防止机械装备零件失效事故的基本思路。可见，失效分析在防止失效中占
8、有很重要的地位。基本思路是：(1) 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找岀主要的失效形式及主要失效抗力指标。运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系，提岀改进措施。根据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律，分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理，是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定如果把它当成金科玉律，则会犯分析上的错误，对防止零部件失效不利。(2) 采用局部复合强化，克服零部件上的薄弱环节，争取达到材料的等强度设计。(
9、3) 在进行失效分析和提出防止失效的措施时，还应做到几个结合： 设计、材料、工艺相结合，即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑； 结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合，试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合； 宏观规律与微观机理相结合，宏观断口和微观断口分析相结合，宏观与显微、亚显微组织分析相结合； 试验室规律性试验研究与生产试验相结合。22失效分析的程序进行失效分析，对于具体零部件要具体对待，不能企求有统一的方法。图3是一般失效分析程序。在整个失效分析过程中，应重点抓住以下几个环节：收集失效件的背景数据除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况
10、外，应着重收集下面两方面的资料：失效件全部制造工艺历史。从取得有关图纸和技术标准开始，了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况；失效件的服役条件及服役历史。除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外，应特别注意环境细节和异常工况，如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。屜应函giI可送圧分齐柝I斤竝力罕徒痢闽二aI一一”】-一-一一一爱劉ISiffiatrr图3失效分析程序图2)失效零部件及全部碎片的外观检查在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查，用摄相等方法详细做好记录。重点检查内容为：观察整个
11、零部件的变形情况，看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等 观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹; 观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处； 观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤； 观察相邻零部件或配偶件的情况； 观察零部件表面有无附着物。（3）试验室检验在检验前,对试验项目和顺序、取样部位、取样方法、试样数量等均应全面、周密地考虑。一般采用的分析手段有下列各项: 化学分析目的是鉴定零部件用材料是否符合原定要求,有无用错材料或成分出格,必要时可分析微量元素或
12、进行微区成分分析。当表面有腐蚀产物时,也应分析腐蚀产物成分； 宏观（低倍）分析主要用于检查原材料或零部件质量,揭示各种宏观缺陷；断口分析对于断裂失效零部件,断口分析是最重要的一环。断口形貌真实地反映了断裂过程中材料抵抗外力的能力,记录了对材料断裂起决定作用的主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌特征的分析,不仅可以得到有关零部件使用条件和失效特点的资料,还可以了解断口附近材料的性质和状况,进而可以判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序,确定断裂的性质,从而找出断裂的主要原因。断口分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察断口表面的纹理和特征,然后用电子显微镜（特别是扫描电镜）对有代表性的
13、部位进行深入观察,以了解断口的微观特征；微观组织分析即用金相显微镜、电子显微镜鉴定失效分析的显微组织,观察非金属夹杂物,分析组织对性能的影响,检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当,从而由材料的内在因素分析导致失效的原因；力学性能试验在必要时可以进行某些项目的力学性能试验,包括断裂韧性试验,以校验该零部件的实际性能是否符合技术要求；其它检测项目如用X射线衍射仪进行定性（如b相）或定量（如残余奥氏体含量）分析,对受力复杂的零部件进行实验应力分析等等。（4）判定失效原因进行上述环节后,把所得的资料进行综合分析,搞清失效的过程和规律,这是失效分析的重要环节。断裂失效原因的分析过程见图4。一般要从影响零
14、部件失效的结构设计因素、材料因素、工艺因素、装配因素和服役条件因素中进行全面分析,真正找到导致该零部件早期失效的主导因素。重大的失效分析项目,在初步确定失效原因后,还应及时进行重现性试验（模拟试验）,以验证初步结论的可靠性。t巴失效分析结果也要相应材料设计忧用*邛护辿川性川W什吧出山试晞労瞬度介质鶴试鵠容试+试蛉去。由于失效原因涉及到结构设计、材料设计、加工制造及装配使用、维护保养等各个方面图4断裂失效原因分析思路：Iii地反馈到这些环节。在一般情况下，失效分析反馈可按图5所示的基本思路进行，即从失效分析的结论中获得反馈信计结构、材料、工艺、现场操作规程，也可能是综合改进。(5)失效分析的反馈
15、积极的失效分析，其目的不仅在于失效性质和原因的分析判断，更重要的是反馈到生产实践中*效分析纪论确远发渡抗力捋林息，据以确定提高失效抗力的途径(形成反馈试验方案)，并通过试验选择岀最佳改进措施。反馈的结果可能是改进设50ri彤状isKi3_J.1斷1iTfrBl1展T1|加fL力丛WL(遥成iR；分W3力fthdHtxihJiHasp图5失效分析反馈的思路对于机械产品或零部件的设计制造单位,应着重于在结构设计、材料选择和制造工艺方面的反馈,特别是结构、材料、工艺上的综合反馈,因为这三者往往很难截然分开。例如在考虑结构因素对零部件强度的影响时,一般要联系到材料因素和工艺因素;同样,在考虑材料强度的影响时,亦必须考虑零部件的结构设计,主要是应力集中对材料强度的影响。在某些情况下,通过改进零部件的形状、尺寸来提高其失效抗力较之改进材料和工艺更为有效。而当设计结构的改进受到限制时,零部件的应力水平、应力分布和应力状态又要求制造零部件的材料和工艺与之相适应(例如几何形状复杂、应力状态较硬的零部件,要求材料有足够的塑韧性;带有尖锐缺口的零部件,要求材料有较低的缺口敏感度等等)。由此可见,
