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失效分析要点讲解
1.2失效分析预测预防的基本概念失效是指产品丧失其规定的功能的现象。
1.失效与机械失效
国家标准定义:
“失效(故障)—产品丧失规定的功能。
对可修复产品通常也称故障。
”“机械失效是指机械零部件、装置或系统在制造或服役过程中丧失其规定功能而不能履行服役任务或不能继续可靠地服役的现象。
因此,机械失效亦称不可接受的故障。
”
核心问题“产品丧失规定功能”
3.机械损伤机械损伤:
指冶炼、冷热工艺过程或载荷、温度、环境等的作用,使材料的微观结构发生变化,引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇合,导致材料宏观力学性能的劣化,最终形成宏观破断失效。
4.失效的模式、原因和机理失效的模式:
指失效的外在宏观表现形式和过程规律,即失效的宏观现象;失效的原因:
指酿成失效的主要影响因素;失效的机理:
指失效的主要控制机制,即物理、化学变化本质和微观过程;类比:
模式是指病症(外在表现),原因是指病因(起源),机理是指病理。
9.失效和事故
失效强调过程,而事故一般是突出后果,是指产品故障或失效导致意外的人员伤亡和物质损失事件的发生。
10.肇事失效件与相关件肇事失效件:
泛指直接导致其它机件失效的机件,而特指直接导致机械失效甚至造成机械事故的机件。
(叶片失效)
相关件(相关失效件):
泛指对其它机件的失效有直接影响的机件。
(机匣内壁磨叶片)受害失效件(或受害件):
泛指受其它失效件的危害而失效的机件,而该机件对其它机件的失效没有直接的影响。
(发动机机匣被叶片击穿)失效分析预测预防的工作内容
(1)调查;
(2)判断失效模式;(3)查找失效原因;(4)探讨失效机理及其与失效模式的关系;(5)失效后果分析;(6)合理制定失效判据;(7)失效的数理统计分析;(8)模拟再现和失效预测;(9)明确产品失效责任;(10)提出防止再失效的对策和技术措施,注意可能有新的失效因子出现,写出分析报告。
3.按失效机理分类
1.7失效分析的分类失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为:
(1)狭义的失效分析:
主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。
(2)广义的失效分析:
不仅要找出引起产品失效的直接原因,而且要找出技术管理方面的薄弱环节(人为因素等)。
(3)新品研制阶段失效分析:
对失效的研制品进行失效分析。
(4)产品试用阶段失效分析:
对失效的试用品进行失效分析。
(5)定性产品使用阶段的失效分析:
对失效的定性产品进行失效分析。
(6)修理品使用阶段失效分析:
对失效修理品进行失效分析。
1.8.1失效分析技术及种类
(1)感官诊断分析技术:
视觉检查;听觉检查;嗅觉检查;触觉检查。
(2)理化检测分析技术:
失效形貌观察分析技术;化学成分分析技术;力学性能和断裂韧性测试技术;金相组织和夹杂物观测与分析技术;缺陷检测技术等。
(3)无损检测分析技术:
放射线探伤;电磁探伤;声学法探伤;渗透法探伤;热试验探伤;磁粉探伤;激光全息检测;计算机辅助断层成像(CT);应力测试等。
(4)痕迹检查分析技术:
感官检查;宏观形貌拍摄;金相检验;微观形貌分析;微区成分分析;污染物成分分析;腐蚀产物鉴别;表面性能测试;表面残余应力测定;表面晶体结构和原子状态分析等。
(5)医学诊断分析技术:
有关人员的生理和心理因素分析;致死和致伤原因分析。
1.9机械失效的预防技术
(1)抗断裂失效设计技术
(2)精细制造工艺与质量控制技术
(3)表面防护与强化技术
(4)正确使用与故障监控检测技术
(5)故障排除与修理技术
1.10失效分析人员应具备的基本素质
(1)彻底的求实精神,在任何情况下都要坚持实事求是,以事实为依据,勇于坚持真理,摆脱干扰,修正错误。
(2)敏锐的观察力和熟练的分析技术,善于利用一切手段(包括先进的仪器、设备)捕捉失效的信息和证据。
(3)正确的失效分析思路和良好的失效模式、失效原因判断能力,要有“医生的思路,侦探的技巧”
(4)善于学习,向书本学习,向实践学习,向同行学习,向一切可能共事的人们学习。
(5)要有扎实的专业基础知识和较广的知识面,工作能力要强,办事效率要高。
(6)要有良好的协作精神和一定的组织工作能力,因为多数失效分析工作要靠不同学科背景和不同经验的科技人员共同合作方可完成。
2.1失效分析思路的具体含义:
失效分析思路——指导失效分析全过程的思维路线(失效分析的灵魂)指在思想中以机械失效的规律(即宏观表象特征和微观过程机理)为理论依据,把通过调查、观察和实验获得的失效信息(失效对象、失效现象、失效环境等)分别加以考虑,然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察,以获取的客观事实为证据,全面应用逻辑推理的方法,来判断失效事件的失效模式,并推断失效原因。
失效分析思路把失效分析的指导思想、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体,从而达到失效分析的根本目的。
三种重要失效件(当前失效件、过去失效件和潜在失效件)需要联系在一起综合分析:
当前失效件——指在失效现场调查获得的失效件;过去失效件——指历史上曾发生过的与当前失效件同一型号的失效件;潜在失效件——在役或返修中的与当前失效件相同型号、履历相似机件。
○失效的环境——包括介质环境(整体环境、局部环境和具体环境)、应力环境(振动、噪声等)、温度环境、电磁波或放射线辐照环境等。
失效分析的思路类型:
原因(根)——中间过程(藤)——结果或后果(瓜)
(1)顺藤摸瓜——以失效过程中间状态的现象为原因,推断过程进一步发展的结果,直至过程的终点结果。
这种做法,虽然不能查出失效起始状态的原因(有时也称之为直接原因),但可揭示过程中间状态直
至过程终点之间的一系列因果联系
(2)顺藤找根——以失效过程中间状态的现象为结果,推断该过程退一步的原因,直至过程起始状态的直接原因
(3)顺瓜摸藤——从过程的终点结果出发,不断由过程的结果推断其原因
(4)顺根摸藤——从过程起始状态的原因出发,不断由过程的原因推断结果(5)顺瓜摸藤+顺藤找根
(6)顺根摸藤+顺藤摸瓜
(7)顺藤摸瓜+顺藤找根
(1)~(6)都是单向的因果联系推断,(7)则是双向的因果联系推断。
2.2机械失效原因分析方法应遵循五条基本原则和五种基本方法:
1.五条基本原则
(1)整体观念原则
(2)立体性原则(3)从现象到本质的原则(4)动态性原则(5)两分法原则
2.五种基本方法
(1)相关性方法
(2)抓关键问题的方法(3)对比的方法(4)历史的方法(经验的积累)(5)逻辑方法
2.3.1机械失效原因分析程序设计需要依据失效分析思路设计科学的失效分析程序,即思路指导程序,程序体现思路。
目的:
以最小代价(时间、人力、设备、财力等)来获取较科学、准确的分析结论。
基本组成环节:
1)失效现场信息调查(含背景材料收集);
2)失效肇事件初步研究;
3)失效模式初步判断;
4)确定具体分析思路和工作程序;
5)实施工作程序,查找失效原因;
6)综合分析失效原因;
7)撰写总结报告(包括提出避免新失效的建议);
8
8)回访与促进建议的贯彻。
2.3.2机械失效原因分析程序流程图
(1)劳动灾害事故的分析程序图
2.4机械失效因果关系直接分析法
2.4.1机械失效原因5M1E逐个因素排除分析法——“撒大网”失效原因:
操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理。
——5M1E【Man(人)、Machine(机器设备)、Material(材料)、Method(工艺制作方法)、Management(管理)、Environment(环境条件)】的失效分析思路。
称为“系统法“或“撒大网”逐个因素排除的分析思路。
“撒网”逐个因素排除的思路,面面俱到,它怀疑一切,不放过任何一个可疑点,看来十分全面、稳妥、可靠,但在失效分析中难以应用,须知排除100种可能因素,不如肯定一种实际因素;往往在人力、物力、财力和时间方面也不允许这么做;如果编的网本身有漏洞,也会带来麻烦。
当找不到任何确切线索时,这是没有办法的办法。
直接原因
可能的根本原因
管理失误
(1)辅助工作太差
对危险不认识
监督训练和安全教育不够
设施不当
规划、计划不当
(2)使用的工具、装
置和设施不适当
缺乏知识和技能
干部的训练不够
缺乏适合的作业程序
确定的操作程序不合适
缺乏自觉性
监督安全教育不够
适合的作业程序实施不当干部的训练和安全措施不够
(3)装置和设施不安全或有毛病
对不安全不认识
监督安全教育不够干部对训练和安全重视不够
设计或选择太差
规划、计划、设计不当监督安全教育不够装置、材料和工具不合适
维护太差
维护和修理体系不当
(4)缺乏适当的作业
程序
省略作业程序
操作程序不妥
设计者的错误
规划、计划、设计不当
监督者的错误
监督不熟练
(5)临时凑合的不安全
作业程序
训练不当
确定的作业程序不当合适的作业程序实施不当监督的安全教育不够干部的训练和安全教育不够
监督不当
监督的安全教育不够干部的选择和安排不当
(6)没有按规定的作业程序实施
对需要没强调
合适的作业程序实施不当
监督的安全教育不够
作业程序不清楚
操作程序不当
(7)对工作不了解
指令复杂
操作程序、规划、计划和设计不
当
理解不够
干部的选择和安排不当
(8)没有意识到有危险
指令不当
监督的安全教育不够干部的训练的安全意识不够
警告不当
规划、计划、设计不当保安条例、测量方法和设备不当操作程序不当
(9)缺乏适当的工具、装置和设施
对需要没认识
规划、计划、设计不当
监督的安全教育不够
供应不当
设备、材料和工具不够或不当
故意
风气和纪律不好
(10)安全设备缺乏
对需要没认识
规划、计划、设计不当保安条例、测量方法和设备不当监督的安全教育不够干部的安全意识不强
可用性不合适
设备、材料和工具不合适
作业程序不当
故意
风气、纪律差,懒惰
(11)防护设备缺乏
对需要没认识
规划、计划、设计不当保安条例、测量方法和设备不当监督的安全教育不够干部的安全意识不强
可用性不合适
设备、材料和工具不合适
作业程序不当
故意
风气和纪律差
(12)载荷、强度、速
度等超过规定极限
警告不当
保安条例不当适当的作业程序实施不当
指令不当
干部训练不够
缺乏理解
干部的选择和安排不当
(13)疏忽:
对明显的
安全惯例的忽视
缺乏自觉性
保安条例和监督实施不当合适的作业程序实施不当干部的训练不够干部的安全教育不够
缺乏理解
干部的选择和安排不当
(14)疲劳降低了人的警惕性,使人处于催眠状态
超过了身体和精神上的
承受极限
规划、计划、设计不当干部的选择和安排不当操作程序不当
(15)行为不轨:
故意
用劳保用品造成故障
士气低落、态度不好
监督训练不够干部的选择和安排不当
工作分派错误
规划、计划、设计不当干部的选择和安排不当干部的训练不够
2.4.2根据机械失效模式因果关系分析法不同的物理或化学过程对应着不同的失效模式。
根据零件残骸(含断口)的特征和残留的有关失效过程的信息,首先判断失效模式,根据失效模式,应用现有知识和因果联系即可分析失效的根本原因
2.4.3根据机械服役条件因果关系分析法服役条件相关因素——操作、装配、运输、维修、环境介质
(1)操作不当:
设备在高温、高压、高速和化学环境异常恶劣的条件下工作。
(2)装配不当:
装配不当引起的失效经常都与机构组件的转动部分或电气组装件有关,有许多装配失误如铆钉孔的布局不合理、螺栓装偏等现象。
(3)运输不当:
运输过程引起振动疲劳、海洋环境腐蚀等。
(4)维修不当:
当事故重复发生时,必须将维修方法统统重新评价。
(5)环境介质影响:
腐蚀产物造成应力集中,引起腐蚀疲劳或应力腐蚀;使用温度反复变化,产生热疲劳断裂;高温条件下金属材料产生蠕变或氧化失效现象。
诱发失效的四大服役条件因素:
力、时间、温度和活性环境。
2.6机械失效原因逻辑推理分析法排除一百种可能性不如证实一种必然性!
!
因此,与“撒大网”逐个因素排除的思路相比,逻辑推理思路具有许多优势和特点,是失效分析的基本思路。
主要方法:
1)归纳推理法2)演绎推理法3)类比推理法4)选择性推理法5)假设性推理法等五种。
2.6.1机械失效原因归纳推理分析法归纳推理是前提与结论之间有或然性联系的推理。
一般说是由个别的事物或现象推出该类事物或
现象的普遍性规律的推理。
结论仍具有或然性(即不完全确定性),不可绝对化。
2.6.2机械失效原因演绎推理分析法演绎推理就是前提与结论之间有必然性联系的推理,或者说是前提与结论之间有蕴涵关系的推理。
人们应用(已经由归纳得出)普遍性判断作为前提,从而推出结论,这就是演绎。
演绎推理一般说来,
是由一般(或普遍)到个别(或特殊)。
因此演绎推理的结论所断定的,没有超出前提所断定的范围,具有必然性特点。
2.6.3机械失效原因类比推理分析法两个或两类事物在许多属性上都相同,便可推出它们在其它属性上也应相同。
这就是类比法。
类
比结论也具有或然性特点。
2.6.4机械失效原因选择性推理分析法选择性推理是根据失效事件或事件中某一事实的发生存在着两种以上的可能性可供选择。
从否定中求肯定。
此即选择性推理。
2.6.5机械失效原因假设性推理分析法假设性推理是依据失效事件事实之间的条件联系进行推断的推理方法。
特别在证据不足、情况复杂的失效事件分析中,往往要以为数不多的事实和现象为基础,根据已有的知识,提出相应假设(这里要用到归纳或类比推理等),然后进行推理,得出推论(这里要用到演绎推理)。
3.1失效分析检测技术的种类及选用实验检测技术类型:
(1)物理方法;
(2)化学方法;(3)力学方法;(4)电子学方法等
具体分析和测试技术主要包括:
1)失效形貌的观察和分析技术;
2)化学成分分析技术(包括常规、局部、微区、微量和表面);
3)力学性能和断裂韧性的测试技术;
4)金属基体组织和第二相以及非金属夹杂物的观测与分析技术;
5)检查零件表面或内部缺陷的无损检测技术。
选用实验检测技术遵循的原则:
1)考虑失效分析的实际需要应根据失效分析的具体目的、分析的深度和进度要求、委托人的经济支付能力、分析任务的难度等因素,来选用有用的检测技术;
2)考虑检测技术的适用性,即这些检测技术是可能实现的和可信的;
3)考虑检测技术的经济性,既选用那些实验费用较低、又能满足具体要求的检测技术。
3.2失效形态观测技术
不同类型的失效观象,具有各自不同的失效形态特征。
失效形态的观察和分析可以推断出失效的类型(模式)、机理及其产生的原因。
3.2.1宏观形态观测技术
用肉眼、放大镜或体视显微镜(50倍以下)对破断零件进行直接观察与分析的方法,称为失效形态宏观分析法。
宏观分析法是整个机械失效综合分析的基础和关键环节之一。
宏观检验主要解决两个问题:
一是失效的属性,二是失效的定性原因。
微观检验则是对属性、原因两个问题的进一步证实。
宏观断口学技术——通过肉眼直观检查或借助于放大镜、体视显微镜等工具在低倍下进行检查和研究断口形貌特征及断裂类型的一种专门技术。
可为失效分析人员迅速提供有关断裂类型、应力状态、断裂起源、裂纹扩展路径、最终断裂部位等多种重要信息,有助于全局上掌握断裂失效特点。
断口形貌的宏观分析内容:
断裂源区;断裂方向;断口表面光泽与颜色;晶粒大小;断口花样(或花纹);边缘情况及冶金缺陷等。
3.2.2光学显微分析技术
分辨率:
光学金相显微镜的极限分辨能力为0.2mm,有效放大倍数1000倍(有效放大倍数定义为人眼分
辨能力与仪器分辨能力之比,人眼分辨能力为0.2mm)。
应用:
可以满足大多数机械失效开裂形貌分析、金相组织、第二相和夹杂物的观察。
是断口形貌分析的简便工具,可方便地从低倍到高倍进行倍率更换。
方式:
明场、暗场、偏光操作,适应不同光学特征物形貌观察(显示色彩)。
光学金相技术的应用金相分析能提供有关金属材料的基体组织、晶粒度、第二相等参数的定性或定量的观测结果,也能提供关于各种材料缺陷的信息。
3.2.3扫描电镜分析技术
扫描电镜的特点和用途
1.能直接观察大尺寸试样的原始表面大到100x80x50mm或更大尺寸的试样,对试样的形状、粗糙
度无特殊要求。
2.试样在样品室中可动的自由度非常大
其它方式显微镜的工作距离只有2—3mm,只能在两维空间内运动。
SEM工作距离大(可大于15mm),焦深大,试样可在三维空间内观察。
3.观察试样的视场大
对于100mm荧光屏尺寸的显像管在20倍时可观察试样的视场范围达5mm。
4.景深大,图像富有立体感
SEM的景深比透射电镜大10倍,比光学显微镜大几百倍。
富有立体感。
5.放大倍数的可变范围很宽,且不用经常对焦
从10倍到20万倍连续可调,不用重新对焦,十分方便。
6.在观察原块试样方法中,它能得到高分辨率和真实的形貌
SEM分辨率优于100?
,介乎透射电镜(几?
)和光学显微镜〔2000?
〕之间。
7.因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很少所用的电子探针电流小,电子探针的直径小(通常是50?
到几百?
),电子探针的能量也比较小。
不固定一点照射试样,试样的损伤和污染程度很小。
8.能进行动态观察
9.可以从试样表观形貌获得多方面资料
10.在观察形貌的同时,能进行微区成分分析和晶体学分析
SEM的缺点:
1难以确定夹杂物或析出相的晶体结构;②不能分辨夹杂物或析出相的颜色;
③扫描电镜的分辨本领比透射电镜的低;④扫描电镜分析的成本比金相显微镜高等。
3.2.4透射电镜分析技术透射电镜的主要功能、特点与应用1.透射电镜的主要功能是:
1)识别物体微观结构细节,并将这种细节放大成人们可用肉眼观察的形貌;
2)进行物体的形貌像与衍射像的转换。
通过改变中间镜的电流值,可以把样品的形貌像转变为电子衍射像。
可以观察到微观客体的形状、大小及分布,可以确定该微观客体的晶体结构(如非金属夹杂物或析出相)和类别。
2.透射电镜优点
1)在目前已有的各种观测仪器中,透射电镜具有最高的分辨本领、最大的放大倍率、较大的景深等优点,适合于观察各种失效形态的细微结构。
2)进行形态观察的同时,可以对萃取相和金属薄膜样品进行选区电子衍射以确定其物相结构。
这是TEM的最大优点。
3)可利用二次复型观察断口形貌,不损害断口表面,可多次制取二次复型。
4)分析型TEM配有能谱仪,除能观察形貌、确定结构,还能分析化学成分。
3.透射电镜的主要缺点
1)样品制备过程繁杂,而且还容易造成制样时的人工缺陷(假象)。
2)低倍与高倍对应困难。
3)TEM观察区小,难于把握整个失效区域的形貌特征,甚至产生以偏概全的偏差。
4)透射电镜属于大型精密仪器,价格昂贵。
透射电镜在失效分析中的应用:
(1)失效形貌观察主要包括以下三个方面的内容:
①断口形貌观察
2金属显微组织的观察:
通过透射电镜,可以使人们清晰地观察到金相显微镜无法辨别的显微组织、第二相等的微细结构。
3其它失效形态的观察:
应用于磨损和腐蚀等失效形式的分析研究中,通过揭示这些失效的形貌特征,使人们正确地找到失效的形成机制和原因。
(2)非金属夹杂物及析出物的物相结构分析透射电镜是目前唯一能够对非金属夹杂物或析出物等微小晶体进行微区结构分析的仪器设备。
这种物相结构分析,就是所谓的选区电子衍射技术。
涉及机械失效件的化学成分分析技术:
(1)常规化学成分分析:
确定金属材料的化学组成及其含量
(2)局部化学成分分析
(3)表面化学成分分析
(4)微区化学成分分析常规化学成分分析:
以溶液及液态化学试剂分析为主,亦称湿法化学分析。
光谱分折:
采用发射光谱分折和原子吸收光谱分析技术。
其他物理方法:
X—射线衍射、电子衍射、电子探针、俄歇电子能谱仪、离子探针等方法。
杂质元素(硫、磷、锡、砷、锑等)和第二相(夹杂物和析出物)在微小区域内(如晶界处)的偏聚,有时会引起金属发生脆断。
检测的手段:
俄歇电子能谱仪、离子探针等表面微区分析。
金属材料常规湿法化学分析方法:
重量分析法;容量分析法;比色分析法等。
3.3.3.2电子探针分析技术
(一)、原理当一次电子束(探针束)与试样发生相互作用时,将从试样表面内激发出各种信号,其中包括待测元素的特征X射线(X射线——由于内层电子受激发后跃迁发射的光波)。
电子探针X射线微区化学成分分析(简称电子探针分析)就是以聚焦电子束(一次电子束)激发试样表面内直径为1微米区域,使之产生特征X射线,通过测得特征X射线波长,确定微区内存在的元素;若测得其波长的强度,便知其含量的多少。
功能:
使用电子探针可以了解机械失效源区组分局部变化的情况。
可分析微米范围内除氢、氦、锂以外的所有元素。
特点
(1)分析区域小:
几立方微米~100?
左右,常用直径约1mm的电子束。
(2)灵敏度高:
相对检测极限达0.005%(重量),绝对极限为10-14~0-15g。
(3)可直接观察选区:
可直接观察试样表面的显微组织,准确分析微区域。
(4)制样方便:
一般金相试样即可供电子探针分析用。
(5)不损坏试样:
除必要的取样和制样外,不受损伤和污染。
(6)可作多种分析:
可分析的信号多,除特征X射线外,还可用背散射电子、吸收电子和二次电子成像。
弱点:
不能分析太小(约1mm以下)质点或区域,轻元素分析灵敏度低等
3.3.3.3离子探针分析技术
(一)、原理用一次离子(具有几十至几万电子伏特的动能)轰击固态样品表面,样品中的某些原子由于获得了足够多的能量而从晶格结点上弹出,并与其周围原子发生碰撞,形成一系列碰撞环。
结果一些能量较高的原子或正、负离子从表面层中逸出。
把这种逸出的离子称作二次离子。
离子探针就是以这种二次离子为检测对象,通过对它们进行加速、聚焦、分离和检测而进行表面微区成分分折的。
离子探针——高灵敏度的全元素显微成分分析仪器。
(1)绝对敏感度达10-18一10-19g;
(2)相对灵敏度为10~100ppm;
(3)能完成电子探针无法进行的对H、He、Li等元素的检测;
(3)分析的表面尺寸可控制在1~2mm。
分析深度能控制在每秒10~1000?
。
(4)剥层分析可提供三维空间的元素分布信息,其深度分辨率为50~100?
。
可用以研究金属扩散、氧化、催化、腐蚀以及其它表面问题。
离子探针微区成分分析的弱点:
10
1)定量分析的准确度不如电子探针;
2)在溅射过程中会产生高价离子和多原子离子,使分析困难;
3)对试样有轻微损坏作
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