失效分析的思路与诊断

失效分析的思路与诊断
第二章失效分析的思路
第一节常用的几种失效分析思路
“撤大网”逐个因素排除法
表2-1 事故的管理责任
二、以设备制造全过程为一系统进行分析
任何一个设备都要经历规划、设计、选材、机械加工（包括铸、锻、焊等工艺）、热处理、二次精加工（研磨、酸洗、电镀）和装配等制作工序，如果失效已确定纯属设备问题，还可对上述工序逐个进一步分析，包括以下内容:
1.设计不当
(1) 开孔位置不当造成应力集中；
(2) 缺口或凹倒角半径过小；
(3) 咼应力区有缺口；
(4) 横截面改变太陡；
(5) 改变设计，没有相应地改变受力状况；
(6) 设计判据不足；
(7) 计算中出现过载荷；
(8) 焊缝选择位置不当，以及配合不适当等;
(9) 对使用条件的环境影响，未做适当考虑;
(10) 提高使用材料的受力级别；
(11) 刚性和韧性不适当；
(12) 材料品种选择错误；
(13) 选择标准不当；
（ 14） 材料性能数据不全； （ 15） 材料韧脆转变温度过高；
（ 16） 对现场调查不充分，认识不足就投入设计； （ 17） 与用户配合有差错。

2. 材料、冶金缺陷 1） 成分不合格； 2）
夹杂物含量及成分不合格；
3） 织组不合格；
4） 各种性能不合格； 5） 各向异性不合格； 6） 断口不合格；
7） 冶金缺陷（缩孔、偏析等）； 8） 恶化变质； 9） 混料。

3. 锻造等热加工工艺缺陷 1 ） 折叠、夹砂、夹渣； 2 ） 裂缝；
3 ） 锻造鳞皮；
4） 流线分布突变或破坏； 5） 晶粒流变异常；
6） 沿晶氧化（过烧）； 7） 氧化皮压入； 8） 分层、疏松； 9） 带状组织； 10) 过热、烧裂； 11) 外来金属夹杂物； 12) 缩孔； 13) 龟裂； 14) 打磨裂纹； 15)
皱纹。

（1） 未按图纸要求； （2） 表面粗糙度不合格； （3） 倒角尖锐； （4） 磨削裂纹或过烧； （5） 裂纹； （6） 划伤、刀痕； （7） 毛刺；
（8） 局部过热； （9）
矫直不当。

铸造缺陷
（1） 金属突出；
（2） 孔穴； （3） 疏松； （4） 不连贯裂纹； （5） 表面缺陷；
（6） 浇注不完全；
（7） 尺寸和形状不正确； （8） 夹砂、夹渣； （9）
组织反常；
（10） 型芯撑、内冷铁。

焊接缺陷
5. 6. 机械加工缺陷 4.
（1） 错口超标； （2） 咬边超标； （3） 焊肉过凸或过凹； （4） 焊道深沟；
（5） 焊趾、焊缝或根部有裂纹； （6） 熔化不全； （7） 打弧；
（8） 焊接深度不够，未焊透； （9）
夹渣、夹杂或疏松；
（10） 接头尺寸不合格； （11） 热输入不适当；
（12） 焊前预热不足；
（13） 焊后消除热应力不够或未消除； （14） 显微组织不合格； （15） 焊接裂纹。

热处理不当
（1） 过热或过烧；
（2） 显微组织不合格； （3） 淬火裂纹；
（4） 淬火变形、翘曲；
（5） 奥氏体化温度不当使晶粒粗大；
（6） 脱碳或增碳； （7） 渗氮；
（8） 回火脆化；
（9）
淬火后未及时回火；
（10） 热应力。

再加工缺陷
（1） 酸洗后或电镀后未除氢或除氢不够； （2） 酸迹清洗未尽；
（3） 镀前喷丸清洗不全；
（4） 电镀电极打弧引起硬点； （5） 镀Cd 、镀Zn 的液态金属脆化； （6） 形成金属间化合物致脆；
（7） 碰伤、标记压痕过深或位置不当； （8） 校直引起残余应力； （9）
镀铬碎屑划伤； （10） 化学热处理不当；
a. 渗层组织反常；
b.
力学性能不合格。

装配检验中的问题
（1） 轴线对中不正； （2） 紧固件松动； （3） 敲打损伤； （4） 装配损伤； （5） 装配不正确； （6） 强迫装配；
（7） 装配说明书说明不全或不清楚； （8） 装配马虎大意； （9）
磁粉检查电弧烧伤；
（10） 磁化吸住钢屑造成磨损； （11） 漏检。

7. 8. 9. 使用和维护不当
10.
(1)超载、超温、超速；
(2)冲撞、热冲击；
(3)振动过大的断续载荷；
(4)操作错误、没按说明书要求做；
(5)每次开车或停车猛烈、突然；
(6)清洗剂不适合；
(7)润滑不当；
(8)疏忽，不按期维护；
(9)没定期检查；
(10)修理不当；
(11)灾害预防措施不完善；
(12)安全措施差；
(13)漏电；
(14)早期疲劳裂纹。

11.环境损伤
(1)腐蚀性气氛介质；
(2)高温或温度陡度过大；
(3)低温；
(4)海洋气氛；
(5)碱性溶液；
(6)氨气氛；
(7)润滑介质不适合；
(8)润滑剂变质或污染；
(9)流体介质中含有磨粒；
(10)控制的或规定的环境不适当。

上面列举了可能引起设备系统失效的一些主要因素，当然这并非全部因素。

还应指出，在某一大方面(如热处理不当)的因素中，有的还可以往前追查原因，例如对于热处理不当的淬火裂纹，还可进一步分析其原因，如表2-2所列举的。

表2-2 导致形成淬火裂纹的因素
对于使用中承受交变载荷的部分出现的早期疲劳断裂，也可进一步分析其失效原因，如表所示：
机械产品一旦失效，一般表现为过量变形、表面损伤、破裂或断裂三种主要形式。

这些类型还要进一步按失效模式再细分类。

下面表2-4是按实际观察到的一些失效模型⑵所作的分类。

表2-4 金属零部件的各种失效模式
1.轴类零件的失效原因
轴类的失效模式，有以下12种:
（1）单向弯曲疲劳;
⑵双向弯曲疲劳;
（3）旋转弯曲疲劳;
（4）扭转疲劳；
（5）接触疲劳；
（6）微振疲劳；
⑺脆性疲劳；
（8）延性疲劳；
（9）塑性变形；
（10）磨损失效；
（11）蠕变断裂；
（⑵腐蚀断裂。

常见的有弯曲疲劳损坏、扭转疲劳损坏、复合的（弯曲和扭转）疲劳损坏、和超载或撞击的延性断裂。

引起轴类失效的原因如表2-8和表2-9所示⑸。

表2-9 联邦德国阿利安茨技术中心1968 —1975年间对传动轴和
支承轴失效案例统计
包括制订产品规划和设计的失误（结构布局不合理、计算错误、几何形状不合理、选材不当
等）。

制造工艺和处理工艺所造成的缺陷（如焊接、铸造、热处理、机加工缺陷等），装配或安装造成的缺陷，以及混料、用错料等原因引起的失效。

b.如因振动造成的松动、安全保护装置失灵，伺服设施故障、磨损、腐蚀、失效老化等引起的失效。

c.如自然灾害、异物侵袭、电网超高压等造成的失效。

2.滑动轴承的失效原因
滑动轴承失效的表现形式，常见的是轴瓦上有磨损沟槽、腐蚀斑块，剥落和麻点。

其原因和诱发因素列于表2-10。

3.滚动轴承的失效原因
不同的失效原因造成滚动轴承失效的形式也大不相同，说明于表2-11和表2-12。

4.弹簧的失效原因
弹簧失效的主要模式是疲劳断裂和脆性断裂。

其次是腐蚀断裂、应力腐蚀断裂、氢脆、黑脆、松弛、变形和磨损。

现将弹簧脆断和疲劳断裂的原因和影响因素列表于2-13。

至于两种断裂的特
征，横向平断口上无贝壳花样的为脆断；斜断口上有贝壳花样的为疲劳断。

表2-11 滚动轴承失效的原因及其对应的损坏形式
表2-13 弹簧脆性断裂和疲劳断裂的原因
断裂模式断裂原因及影响因素
1.脆性断裂1
（ 1材料缺陷表面缺陷 a. 表面裂纹
b. 冷拔或冷绕留下的折叠或刻痕
c. 磨光钢丝的横向磨痕、麻点碰伤表面脱碳
内部缺陷 a. 粗大夹杂
b. 层状结构
c. 晶粒异常粗大
d. 马氏体脆性相
1（ 2制造及热处理 a. 成形不当
方法不当 b. 机加工不当
c. 组织不正常
d. 过热或过烧
e. 淬火裂纹
f. 电镀不当
g. 其它工艺不当（如除氢不尽）
2.疲劳断裂1
（ 1材料缺陷 a. 化学成分不当
b. 魏氏组织
c. 表面缺口
d. 横向微裂纹
e. 小孔
f. 皱皮
g. 折迭
h. 麻坑
i. 分层
j. 皮下碳化物
1（ 2设计不当 a. 弹簧指数和硬度配合不当
b. 截面尺寸小
c. 转速过高，应力循环快
1（ 3制造工艺不当 a. 拉拔过度引起撕裂
b. 工具伤痕
c. 尖锐弯曲
d. 绕簧刻痕或裂纹
e. 焊接缺陷
f. 表面脱碳
g. 酸洗电镀除氢不尽
表2-12 滑动轴承和滚动轴承失效案例原因的统计分布⑸
5.齿轮的失效原因
齿轮损伤的模式，主要表现为断齿和齿面损伤。

现将齿轮失效模式和失效原因列表如下。

表2-14 齿轮失效的模式、形貌和原
注：上述失效模式中，以疲劳断裂、麻点、磨损和咬接四种最常见。

2. 麻点、齿面剥落、磨损、咬接、塑性变形和裂纹都能促进疲劳断裂，其中的后二种常导致疲劳
断裂。