失效分析思路方法和基本程序文档格式.docx
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（1）审查设计
使用条件
设计包括标准选用导致零件失效
设计判据
条件（估计不足）高应力区缺陷
标准（选用不当）截面变化太陡
判据（不准）倒角过小表面质量过低
（2）材料分析
选用不当
热处理不合理
成分不合格
材料夹杂物超标导致失效产生
组织不合要求
材料各向异性
冶金缺陷
（3）加工制造缺陷
铸造缺陷
锻造缺陷
焊接缺陷
缺陷冷加工缺陷导致失效产生
碰伤表面缺陷
腐蚀表面缺陷
装配不当缺陷
（4）使用和维护情况分析
超载
超温
超速
问题频繁启动停车导致失效产生
润滑问题
冷却问题
保养问题
2.根据产品的失效形式及机械模式进行分析
根据产品的失效表现形式
进一步分析失效模式
分析导致失效的内因和外因
找出失效原因（后面详细讲解）
3.“四M”分析思路及方法
1）man人操作人员的情况分析
工作态度
责任心大小
玩忽职守
人主观臆断造成失效
违章操作
缺乏经验
反映迟钝
技术低能
2）Media环境产品使用状态下的环境情况分析
载荷状态变化
载荷大小变化
载荷方向变化
环境周围温度导致失效
周围湿度
周围尘埃
腐蚀介质
3）Machine设备情况分析
分析材料的选择
结构设计
加工制造水平造成失效
安装水平
运输保护措施
4）Management管理情况分析
作业程序
保护措施
管理辅助工作造成失效
使用工具
维护保养
3.3系统工程的分析思路及方法
▪1.复杂系统
▪除常规影响因素外
▪还有人的因素和软件因素，用相关性及物理检测无法解决，必须采用系统工程来解决。
系统工程：
设备或系统和人当作一个统一体，运用数学方法和计算机将失效原因---结果之间的逻辑关系连接起来。
▪2.失效系统工程分析法类型
▪故障树分析法
▪特征因素法
▪故障时序数法
▪故障频率预测法
▪失效模式及后果分析法
▪模糊数学分析法
3.故障树分析法
故障树分析法：
60年代以来迅速发展的系统可靠性分析方法,这种方法用树状图对系统进行演绎分析,从所定义的“不希望事件”开始,在给定的边界条件下,按系统失效的规律，分析到系统的硬件故障、人为差错、环境影响等。
通过故障树可以把系统故障的有关因素联系起来进行分析,便于找出系统的薄弱环节和故障谱,还可定量地求出系统的失效概率及其他可靠性参量，为评估与改善系统可靠性提供定量数据。
•1）概念
•分析的设备-------系统（正常或失效）
•组成设备的零件-------组元
•零件的工作状态-------参数（完好或失效）
•分析各种事件（系统组元的状态变化）的逻辑关系（失效事件），找出失效原因具体
•a）查明与失效事件有关的所有原因
•b）利用树型图把分析过程和结果表示出来
c）计算出系统失效的概率
•2）工作程序
a）确定不希望发生的事件（上端事件）
b）对设备的设计、制造、维护、使用等技术资料进行分析
c）合成故障树
d）求出上端事件发生的必要充分条件
e）收集计算时必要的故障率数据
f）计算上端事件发生的概率
g）对基本事件的重要性作出评价
h）分析计算结果，提出改进措施
e）事件符合
上端事件：
不希望出现的或待分析的事故结果事件，故障树最上端，不再发展。
中间事件：
上端的输入，基本事件的输出，表示由其他事件引起的某一事件。
基本事件：
故障树的基本原因，不能进一步展开。
5）故障树分析法的应用
a）用于事后分析：
分析故障产生的原因
b）用于事前分析：
进行系统故障预测和诊断。
找出系统的薄弱环节，实现系统设计的最优化，随着系统工程，可靠性工程和计算机技术的发展，建立故障诊断专家系统并投入应用。
3.4数理统计分析思路及方法
▪1）不是研究单个失效的问题，而是某类产品的一批在某个时间内失效的规律。
▪例：
履带车轴扭力轴断裂原因分析
断裂为疲劳断裂，断裂源齿根部。
▪2）影响因素：
▪加工质量（齿根园角半径过小）
▪热处理不良（硬度低、脱碳、夹杂物）
▪3）计算：
用数理统计学中的多重秩和显著性检验法计算结果如下：
▪园角半径Hr=1.39
▪硬度HHRC=0.02根本原因r过小
▪脱碳深度Hh＝0.343
3.5失效分析的任务和程序
▪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。
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。
1.寿命特性曲线“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。
假若在产品出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。
•
（2）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。
•（3）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。
2.失效分析的任务
▪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:
▪①失效性质的判断;
▪②失效原因的分析;
▪③采取措施,提高材料或产品的失效抗力。
3.失效分析的程序
▪一.保护失效现场
▪保护失效现场的一切证据,维持原状、完整无缺和真实不伪,是保证失效分析得以顺利有效地进行的先决条件。
失效现场的保护范围视机械设备的类型及其失效发生的范围而定。
二.失效现场取证和收集背景材料
•失效现场取证应由授权的失效分析人员执行,并授权收集一切有关的背景材料。
失效现场取证可用摄影、录像、录音和绘图及文字描述等方式进行记录。
•失效现场取证所应注意观察和记录的项目主要有:
•
（1）失效部件及碎片的名称、尺寸大小、形状和散落方位。
•
（2）失效部件周围散落的金属屑和粉末、氧化皮和粉末、润滑残留物及一切可疑的杂物和痕迹。
•（3）失效部件和碎片的变形、裂纹、断口、腐蚀、磨损的外观、位置和起始点,表面的材料特征,如烧伤色泽、附着物、氧化物和腐蚀生成物等。
•（4）失效设备或部件的结构和制造特征。
•（5）环境条件（失效设备的周围景物、环境温度、湿度、大气和水质）。
•（6）听取操作人员及佐证人介绍事故发生时情况（录音记录）。
•在观察和记录时要按照一定顺序,避免出现遗漏。
例如观察和记录时由左向右、由上向下、由表及里和由低倍到高倍等。
•所应收集的背景材料通常有:
•
（1）失效设备的类型、制造厂名、制造日期、出厂批号,用户、安装地点、投入运行日期、操作人员、维修人员、运行记录、维修记录、操作规程和安全规程。
•
（2）该设备的设计计算书及图纸、材料检验记录、制造工艺记录、质量控制记录、验收记录和质量保证合同及其技术文件,还有使用说明书。
•（3）有关的标准、法规及其他参考文献。
•（4）收集同类或相似部件过去曾发生过的失效情况。
详细
▪1.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外,应着重收集下面两方面的资料:
▪①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;
▪②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。
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:
•①观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等;
•②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;
•③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;
•④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;
•⑤观察相邻零部件或配偶件的情况;
•⑥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:
•①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;
•②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;
•③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）对有代表性的部位进行深入观察,以了解断口的微观特征;
•④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;
•⑤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;
•⑥其它检测项目如用X射线衍射仪进行定性（如σ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。
三.制定失效分析计划
•只有极少数的情况下,通过现场和背景材料的分析就能得出失效原因的结论。
大多数失效案例都需根据现场取证和背景材料的综合分析结果来制定失效分析计划,确定进一步分析试验的目的、内容、方法和实施方式。
•在制定失效分析计划前要初步确定肇事件（确定肇事件的方法在后续讲座中有详细介绍）,通过肇事件的分析可以判断失效模式、确定失效原因和机理,失效分析的详细计划是围绕着肇事件进行的,因此,确定肇事件是一项非常重要的工作。
•失效分析试验过程通常包括如下内容:
•①金相检查;
②化学成分分析;
③无损检测;
•④材料性能测试;
⑤试样的选取、保护和清洗;
⑥试样的宏观检查和分析;
⑦试样的微观检查和分析;
⑧断裂力学分析;
⑨模拟试验等。
•对各项试验方案应考虑其必要性、有效性和经济性。
一般宜先从简单的试验方法入手,如有必要时才进一步采用费用高的和较复杂的试验方法。
如确属必要进行失效模拟试验,其设计应尽可能模拟真实的工况条件,使之具有说服力。
•从失效部件上和残留物上制取试件或样品,对于失效分析的成败具有十分重要意义,务必要周密计划切取试样的位置、尺寸、数量和取样方法。
应当特别强调,失效部件和残留物上具有说服力的位置和尺寸是十分有限的,一旦取样失误,就无法复原而完全丧失说明力,致使整个失效分析计划归于失败,造成不可挽救的后果。
•失效分析计划要留有余地,以便在个别试验中发现意外现象时,为了适应新的情况,可中途改变某些方法,或做补充试验。
•四.执行失效分析计划失效分析的各项试验应严格遵照计划执行,要有详细记录,随时分析试验结果。
•
（1）一般都要求在很短的时间内取得试验结果,因此既要保证按时完成、又要防止在匆忙中发生疏忽和差错。
•
（2）许多失效分析工作涉及法律问题,为此,各项试验工作应建立严格的责任制度。
试验人员在试验记录和报告上签名。
•（3）试件、样品都要直接取自失效实物,一般不能用其它来源的试件样品代替。
•（4）失效分析是人们进一步认识未知客观世界的一种科研活动,试验人员切不可在思想上存在先入为主的概念,错误认为失效分析的试验只不过是已知条件的复验、以致放松对试验过程中出现新现象的观察。
实际上,失效分析往往含有新发现和技术突破,试验人员更应注意观察这种试验的全过程。
五.综合评定分析结果
•授权的失效分析人员,要经过充分的讨论,对现场发现、背景材料及各项试验结果做综合分析,确定失效的过程和原因,做出分析结论。
•综合分析,特别是在复杂的失效案例情况下,可来用故障树（FaultTree）找其它形式的逻辑图分析方法。
•在大多数情况下,失效原因可能有多种。
应努力分清主要原因和次要原因。
•综合分析讨论会应有详细的发言记录和代表共同意见的会议纪要及与会人员签名,并存入失效案例档案。
•六.研究补救措施和预防措施失效分析的目的不仅限于弄清失效原因,更重要的还在于研究提出有效的补救措施和预防措施。
从大量同类和相似失效案例分析积累的丰富经验有利于这类措施的研究。
•补救措施和预防措施可能涉及设备的设计结构、制造技术、材料技术、运行技术、修补技术以及质量管理的改进,乃至涉及技术规范、标准和法规的修订建议。
这类研究工作量往往很大,除个别简单情况可由承担失效分析的人员进行外,一般由失效分析人员提出问题或补救方案,由负责单位责成有关专业部门或单位进行专题研究,提出研究报告,作为改进设备的依据。
七.起草失效分析报告
•失效分析报告一般可不规定统一的格式,但行文要简练,条目要分明,内容一般应包括下列项目:
•
（1）题目;
•
（2）任务来源,包括任务下达者及下达日期,任务内容简述,要求的分析目的;
•（3）各项试验过程及结果;
•（4）分析结果—失效原因;
•（5）补救措施和预防措施或建议;
•（6）附件（原始记录、图片等）;
•（7）失效分析人员签名及日期。
•对于大宗同类产品的失效分析,宜规定一定的报告形式。
以便于事后的统计分析工作和计算机辅助失效分析。
八.评审失效分析报告失效分析评审会的组织形式及其参加人员可由有关方面协商决定,一般宜由失效分析工作人员、失效设备的制造厂商代表、用户代表、管理部门代表、司法部门代表和聘请的其他专家组成。
各方面代表应本着尊重科学、尊重事实和法律的态度履行其评审职责,不得对失效分析人员以任何形式施加不正当的压力和影响。
失效分析人员的客观公正立场应受维护和尊重。
九.提出失效分析报告
▪失效分析报告通过评审后,按评审决议修改并制定成报告正式文本,内容项目除起草报告中的7项外,还宜增加下列3项:
▪①评审意见,包括评审人员签名及日期;
▪②呈送及抄送单位,包括抄送反馈系统;
▪③密级。
▪十.反馈失效分析成果反馈系统是失效分析成果的管理系统,目的在于充分利用失效分析所获得的宝贵技术信息、推动技术革新、促进科学进步和提高产品质量。
▪失效分析的反馈系统可采取多种组织形式,例如可与企业的技术开发和情报部门结合,可与国家的质量管理部门、可靠性研究中心、数据中心及数据交换网相结合。
把输入的大量失效分析报告和来自数据交换网的其他信息,经过分类、统计分析、数据处理,制成各种形式的文献,例如快报、数据手册、指导性文件、年鉴和书刊等,传递到各个经济部门、生产部门、科研部门、教育部门和司法部门及新闻部门,把失效造成的损失化为巨大的效益。
3.5防止失效分析的思路及程序
•1.防止失效的思路
•其基本思路是:
•
（1）对具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。
•
（2）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,提出改进措施。
•（3）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。
•（4）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。
•（5）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:
•①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;
•②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;
•③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;
•④试验室规律性试验研究与生产试验相结合。
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。
一般要从影响零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。
3.6失效分析反馈的思路
失效分析的反馈是积极的失效分析,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,失效分析结果也要相应地反馈到这些环节。
在一般情况下,从失效分析的结论中获得反馈信息,据以确定提高失效抗力的途径（形成反馈试验方案）,并通过试验选择出最佳改进措施。
反馈的结果可能是改进设计结构、材料、工艺、现场操作规程,也可能是综合改进。
结构、材料、工艺上的综合反馈,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。
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,在提高零部件的失效抗力时,零部件的结构设计与材料、工艺是相互渗透,相互依赖的。
3.7失效分析的辨证方法
•1对具体问题进行具体分析
•
（1）不同零部件的外在服役条件是不同的。
不同的服役条件,有不同的失效类型及特征;
•
（2）同一材料状态,在不同服役条件下也表现为不同的失效类型及特征;
•（3）在不同服役条件下,为了达到失效抗力的优化,有不同的材料强度、塑性、韧性的合理配合,即有不同的材料成分、组织、状态的最佳搭配;
•（4）即使在相同的服役条件下,由于零部件结构及装配不同,零部件的受力情况不同,这种最佳搭配也将随之变化。
•2抓主要矛盾和矛盾的主要方面
•
（1）某一零部件存在两个以上的失效类型时,应分析和找出主要的失效类型及其主要的失效抗力的表征参量,例如,同时存在断裂及磨损时,前者是“急性病”,后者一般为“慢性病”,因此应首先抓断裂失效的分析及防止。
•
（2）抓造成主要失效类型的原因综合分析,从造成失效的内因与外因中找出主导因素,即矛盾的主要方面。
•3注意矛盾的转化
•
（1）当主要的失效类型解决后,可能原来次要的失效类型上升为影响零部件寿命的主要矛盾,或者出现新的失效类型;
•
（2）当对某一零部件进行结构或工艺改进后,该零部件容易失效的薄弱环节转移,对此要有预见。
1失效分析
▪
（1）失效及失效研究的内涵
▪机电元器件（或零件）、设备、装置或系统统称为机电产品。
机电产品丧失规定功能的现象称为失效,对可修复产品通常也称为故障。
产品是否失效,主要是在使用（包括检验）中考察。
在失效研究中,针对具体失效事件的技术活动一般可分为三个层次:
失效诊断、失效预测和失效预防。
其中失效诊断是失效研究的核心,失效预测和预防则是失效研究的目的。
失效诊断是失效发生以后的研究,失效预测和预防则是事前的。
（2）失效分析、事故分析、废品分析和状态诊断
失效分析是对进入商品流通领域后发生故障的分析;
对导致产品无法修复的严重失效的分析也称为事故分析;
对进入商品流通领域前发生的质量问题的分析则称为废品分析。
失效分析、事故分析和废品分析均是指事后的分析,三种分析所采用的方法基本一致。
状态诊断则是针对可能的主要失效模式、原因和机理的在线、适时和动态的诊断。
（3）失效模式、原因和机理诊断
失效研究的首要任务之一就是失效诊断。
失效诊断是失效研究的基础,其准确与否决定了失效研究的成功与否。
失效诊断的目的是要诊断出失效的模式、原因和机理,从而为采取预防措施指明方向和提供依据。
失效模式是指失效的表现形式,一般可理解为失效的类型。
失效模式诊断是失效研究首当其冲的重要问题,具有“定向”的意义。
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