零件失效分析3-失效分析思路、程序及基本技能

2. 失效分析的程序与步骤
接受任务明确目的和要求 调查现场及收集背景资料 失效件的观察、检测和试验 确定失效原因并提出改进措施
调查现场及收集背景资料
现场失效信息的收集、保留与记录
已经确认能反映失效事故的过程 和起因的现象和物质
估计可能用得着的物质和值得进 一步分析的现象
全面、三维地、定量地反映失效后的现场
失效件的清理 先判断后清理，先表面后内层，尽量采用物理方法 清理而少用化学方法。
干燥气流或有机纤维软刷子； 有机溶剂及超声清洗； 醋酸纤维素复膜处理； 水基洗涤剂清理；
阴极清理；
化学侵蚀清理；
4. 常规测试技术
可信性
有效性
测试技术选用原则
可能性
经济性
化学成分分析 组织结构分析
2. 失效分析的程序与步骤
（三）机械设计分析（应力分析） 当失效件是重要 的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正 确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定 失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足 设计要求，从而可能找出失效的原因。 （四）化学成分设计分析 据此可考察材料的力学 性能、工艺性能和抗腐蚀性能。
a
条件与门，表示B1、B2两个事 件同时发生（输入）时，还 必须满足条件a，A事件才发 生（输出）；
a
限制门，表示B事件发生（输 入）且满足条件a时，A事件 才能发生（输出）。
失效树的建立
熟悉系统 确定顶事件 收集系统资料 建立失效树
修改简化失效树
调查失效
调查原因事件
定性分析 制定安全措施
定量分析
残骸分析法
残骸分析法：从物理、化学的角度对失效零件进行 分析的方法。
服役条件 线索来源 断口特征 失效的抗力指标
零件的服役条件 零件的失效分析 主要的失效抗力指标 主要的失效抗力指标与 成分、组织、状态的关系 结构改进 力学计算 应力分析
材料工艺 改进
提高失效抗力指标途径 形成试验方案 实验室试验 选择最佳的材料和工艺 使用考验
满足的条件： 反映装备或零部件失效先后顺序的各种迹象
反映失效机理的各种现象
记录的方法：摄影、录像、笔记、画草图等。 举例：某食品化工厂在生产 1号食品添加剂时发生 爆炸事故。其不锈钢旋转容器由两段圆筒以互为 一定角度的V形焊接连接而成。旋转轴为两段短的 水平轴，与涡轮减速器连接。
怎么做？
做出失效现场的草图，在其中标出坐标的空间尺度； 将装备的所有残骸、碎片的散落地点用坐标注在草 图上，并收集、清点、编号； 记录并测量断裂区的塑性变形、断口角度和纹理、 颜色、光泽等能反映断裂时的受力情况、变形和断裂 发展过程的各种现象，绘出裂纹扩展方向图；
能谱分析（EDS）
失效树分析法
失效树分析（Failure Tree Analysis） 1960’s 由美国贝尔研究所首先用于导弹的控制系统 设计上，预测导弹发射的随机失效概率。 1974年 美国原子能管理委员会主要采用失效树分析 商用原子反应堆安全性的Wash-1400报告。 FTA法在国外被公认为是对复杂安全性、可靠性 分析的一种好方法。
处理意见 对安全性维护的建议
最重要知识和经验的总结
3. 失效件的保护、取样及试样清洗、保存
失效件的保护 机械损伤 断口保护 断口脆弱 化学损伤
显微形貌特征的消失或破坏
措施：
在裂纹打开、切割断口时要以保持断口原貌为原则； 在搬运断口时，最好在断口表面覆盖一层柔软的布或棉 花加以保护； 用缓和干燥的压缩空气轻轻吹干断口表面，并将试样放 在干燥器、真空储存室中或用合适的干燥剂把试样封装 起来； 使用防腐蚀的表面涂料（防锈漆、醋酸纤维丙酮溶液等）；
“撒大网”逐个因素排除的思 路 残骸分析法 失效树分析法
“撒大网”逐个因素排除的思 路 5M1E
Man
Machine Material Method Management Environment
不 安 全 行 为
人 的 局 限 性
安 装 运 输 保 护
结 构 设 计
加 工 制 造 水 平
失效树分析法：在系统设计过程中，通过对可能造成 系统失效的各种因素（包括软件、硬件、环境、人为 因素等）进行分析，画出逻辑框图（即失效树），从 而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概 率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以 提高系统可靠性的一种设计分析方法。 灵活性 特点
图形演绎的方法
失效分析思路的重要性
失效分析思路： 理论依据：装备构件失效的规律 综合分析调查、观察、检测和实验获得的失效 信息以获取的客观事实为证据，全面应用推理 的方法，判断失效模式，推断失效原因。 失效分析思路贯穿在整个失效分析过程中。
失效分析思路的方向性及基本原则
失效分析思路方向的多种选择
顺藤摸瓜、顺藤找根、顺瓜摸藤、顺根摸藤
基本概念： “顶事件”：系统不希望发生的失效状态作为失效 分析的目标； “中间事件”：导致这一失效发生的所有可能的直 接原因；
“底事件”：导致每一个中间事件发生的所有可能 的原因；
顺序渐进，直至追踪到对被分析对象来说是一 种基本原因为止。
失效树所用符号
事件符号： 顶上事件、中间事件符号，需要进一步 往下分析的事件； 基本事件符号，不能再往下分析的事件； 正常事件符号，正常情况下存在的事件； 省略事件，不能或不需要向下分析的事件；
钻柱失效树模型
2. 失效分析的程序与步骤
美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序 （一）失效情况的描述 以技术文件的形式记述失效 的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计 要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的 照片资料和多媒体资料。 （二）裸眼观察 失效件失效后的总体形貌应记入 上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的 失效特征的保护，不得造成损害。
材 料 的 选 择
冶 金 质 量
热 加 工 工 艺
冷 加 工 工 艺
作 业 程 序
维 载 温 修 荷 度 保 养 制 度
腐 蚀 介 质
“撒大网”逐个因素排除的思 路
优点：面面俱到，怀疑一切，不放过任何一个可疑点。 缺点： 工作量较大。
“撒大网”分析法多应用于重要失效事故的分
析和军事部门，在一般实际应用中应有所侧重。
2. 失效分析的程序与步骤
（九）性能检验 性能检验是与设计所对应的性能 试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在 不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验 来推断其力学性能，如屈服强度等。 （十）失效分析 模拟失效原因，制作与失效件相 同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这 是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才 做。
顺瓜摸藤+顺藤找根、顺根摸藤+顺藤摸瓜、
顺藤摸瓜+顺藤找根
失效分析思路的方向性及基本原则
整体观念原则
从现象到本质的原则 基本原则 动态原则 一分为二原则 立体性原则
失效分析思路的方向性及基本原则
系统方法
抓主要矛盾方法 具体方法 比较方法 历史方法 逻辑方法
失效分析的主要思路
失效分析的主要思路
失效分析与常规研究工作有所不同
后果严重、 失效分析任 涉及面广 务繁重、时 间紧迫
分析结论要正确 无误，改进措施 要切实可行
一果多因使失效分析的中间过程纵横交错、 头绪万千，正确思路的指导有利于确定分析 方向、明确分析范围、推断失效过程。
失效分析思路的重要性
失效分析的关键性试样十分有限，只容许一次取 样，一次观察和测量。在分析程序上走错一步， 可能导致整个分析的失败。
2. 失效分析的程序与步骤
（五）制造过程及其各工艺环节分析 错误的加工 工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的 原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的 错误等等。 （六）宏观断口形貌检查 在裸眼和低倍放大下检查 断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照 断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。
初步判断： 螺栓的力学性能不够
可能原因
结构和装配问题 材质分析（材料成分、显微组织） 力学性能分析（工况、紧固、强度） 建立具体的分析 思路和工作程序 断口分析（形貌） 分析论证开裂原因 结论
失效树分析（FTA法） 失效模式及效应分析（FMEA法） 系统工程分析法 管理失误与风险树分析（MORT法） 事件树分析（ETA法） …
第3章 失效分析的思路、程序和基本技能
失效分析思路与方法 失效分析的程序与步骤 失效件的保护、取样及试样清洗、保存 常规测试技术 失效分析的几种基本技能
1. 失效分析思路与方法
失效分析思路的重要性 失效分析思路的方向性及基本原则 失效分析的主要思路（重点）
失效分析思路的重要性
运行记录；
操作维修记录； 涉及合同、法律责任或经济责任，需查阅来往 文件和信函；
失效件的观察、检测和试验
宏观
观察 微观 化学成分分析 性能测试 检测
无损检测
组织结构分析 应力测试及计算
模拟试验
确定失效原因并提出改进措施
失效过程的描述 失效类型的分析和规模的估计
现场记录和单项试验记录计算的结果 总结报告 失效原因
台架模拟试验
以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图
举例：热锻模具淬火断裂的失效分析
现场调查：某厂用 3Cr2W8V 钢制热锻模具，锻造 材料为 25 钢的齿状零件。模具加工时，发现其硬 度较高，为了便于加工，将模具进行过一次降低硬 度退火，但温度和时间已无纪录。加工后的模具在 淬火过程中听到模具开裂声音，随即停止冷却，并 放在630℃回火炉中回火，回火时裂纹继续扩展使 模具成为多个碎块。由于发现模具开裂，中止继续 回火。
定性+定量
FTA法的步骤
基本事件的重要度分析
失效树的定量分析
失效树的定性分析 失效树的建造
失效分析的 关键
砂轮伤害事故的失效树图
砂轮伤害 击中人体
防护装臵不起作用 砂轮破碎飞出
质量缺陷
未检查
安装缺陷
操作不当
安装不牢
无防护罩
砂轮不 平衡
有裂纹
紧固砂轮 上砂轮敲 用力过大 打过猛
吃刀量 过大 启动过急
收集与失效有关的物质，如气氛、物料粉尘、飞溅 物、反应物，并注意机械划伤、污染吸附等痕迹；
残骸的重要关键性部位，供实验室分析用； 清理现场时将编号的无用残骸有秩序地堆放在避 风雨的地方暂存、备用；

调查、访问和背景资料的收集
装备的工作原理及运行技术数据和有关的规程、 标准； 设计的原始依据； 选材的依据； 使用材料的牌号、性能指标、质量保证书、供应 状态、验收记录、供应厂家、出厂时间等； 加工、制造、装配的技术文件；
主要的测试技术
力学性能测试 无损检测 物化性能测试
化学成分分析
化学分析法
原子发射光谱分析（AES） 原子吸收光谱分析（AAS）
光谱分析
X射线荧光光谱分析（XFS） X射线光电子能谱分析（XPS） 电子探针X射线显微分析
微区化学成分分析 俄歇电子能谱分析
X射线光电子能谱分析（XPS）
类金刚石镀层表面的C1s峰谱图
初步判断： 材料化学成分错误
可能原因
加热温度过高
原始材料组织有缺陷 材质分析 力学性能分析 断口分析 显微组织分析 分析论证开裂原因
结论
建立具体的分析 思路和工作程序
举例：汽车轮毂紧固螺栓断裂事故分析 现场信息调查：汽车轮毂紧固螺栓是汽车上至关重 要的零件，如果该零件出现问题，轻则造成交通事 故，重则造成车毁人亡，后果严重。某厂生产的汽 车的左后轮紧固螺栓全部断裂，5个螺栓中有4个螺 栓断裂前出现弯曲和扭转， 1个螺栓被剪切，造成 了车祸，该厂紧急召回了废车对其事故进行分析。
2. 失效分析的程序与步骤
（七）微观断口分析 包括断口显微形貌（断口组织） 试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常 都是采用电子显微镜分析。
（八）金相检验 金相试样的制备需在失效件上切片， 这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材 料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失 效原因提供证据。
失效树所用符号
+Baidu Nhomakorabea
·
•
逻 辑 门 符 号
或门，表示B1或B2任一事件单独发生（输 入）时，A事件都可以发生（输出）；
与门，表示B1、B2两个事件同时发生（输 入）时，A事件才能发生（输出）；
失效树所用符号
+
·
a
条件或门，表示B1或B2任一事 件单独发生（输入）时，还 必须满足条件a，A事件才发 生（输出）；