失效及失效分析的概念.ppt

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1、1,失效分析基础陈 康 敏2004年10月,2,第一章 失效及失效分析的概念,3,本章内容摘要,失效及失效分析的定义；失效分析的意义和重要性；机械产品失效的分类；失效分析的工作内容；失效分析与其他学科、技术间的关系。,4,前 言,失效（Failure）与失效分析（Failure Analgsis）：是一门涉及面广、实用性强的实用基础技术。随着科学技术日益进步，工程失效事件不断发生，失效分析技术也不断发展，使用的手段也不断完善，人们对失效的认识也越来越丰富、充实，工程界已将它列为一门学科即机械失效学（失效学）。机械失效学：研究机械产品（装备）的失效理论、失效诊断技术和失效预测预防方法及其应用一门

2、学科。,5,失效学：是一门边缘交叉的、综合的新兴学科，它与多种学科、技术相关，与基础学科相结合，形成不少边缘学科。如：失效学 物理学 失效物理学；失效学 力 学 失效力学(损伤力学）；失效学 数 学 可靠性数学 等。失效分析：是一门跨学科的综合性技术，它涉及的知识广泛，与许多应用学科和技术密切联系；它是以机械产品为对象，故也称为：机械产品的失效分析。,6,机械产品（机械零件、设备、装置）的失效分析，在工业生产和工程建设中具有重要的实用价值。机械产品由于在材料选用、设计、制造、使用、维修及人为操作等原因常发生失效，轻则须更换零件、重则导致严重事故，造成人员伤亡和经济上重大损失。历史上曾有如：列车

3、因车轴、车轮的断裂而出轨或倾覆；大型轮船因船体断裂而沉没；大型压力容器、锅炉的爆炸；大型电站转子的飞裂；桥梁的断裂；飞机因发动机、机翼等零件的失效而坠毁；海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没。,7,特别是：大量通用的、关键的、基础零、部件地大量早期失效，严重影响了机械产品的质量和寿命，因此需要有更多的人从事失效分析工作，重视和搞好产品的失效分析，这对提高机械产品的质量，将起深远的影响。本选修课目的：普及失效分析的基础知识，提高材料技术人员的失效分析水平。通过学习 1.了解失效分析的基本概念；2.掌握失效分析的思路与方法；3.熟悉典型机械产品失效的规律与特点；为今后顺利地进行失效分析工作打下一定的基

4、础。,8,1-1 失效及失效分析的定义意义和重要性,9,一、失效及失效分析的定义,1.失效（Failure)机械零件、设备、装备或系统统称为机械产品。任何机械产品都为完成某种规定的功能而设计的，也即各种机械产品都具有一定的功能。如：轴类、弹簧等零件传递力、能量或承受载荷等；发电机使热能或其他形式的能量转变为电能；汽车主要需安全、高速、低油耗、少污染、舒适等。,10,一、失效及失效分析的定义,机械产品在服役中，因应力、时间、温度、介质和操作失误等因素的作用，常有失去其原有功能的现象。机械产品丧失其规定的功能的现象称为失效。“失效”是一个技术名词，曾被称“事故”、“故障”等。1980年12月，由中

5、国机械工程学会机械产品失效分析委员会会议上正式统称为“失效”。,11,失效的三种形式,国外资料失效的定义：即失效有以下三种情况。1.完全不能工作（完全丧失功能）如：发动机中曲轴、连杆的断裂；涡轮机叶片突然断裂；压力容器壳体开裂等；2.虽仍能工作，但不能完全规定的功能（功能衰退）如：发动机气缸套、活塞环严重磨损，间隙增大，发动机功能降低。3.能工作和完成规定功能，但不能确保安全，应更换维修。如：经长期高温运行的压力容器及其管道，内部组织发生变化，继续使用存在开裂危险；等。,12,“失效”与“故障”,“失效”与“故障”：二个名词概念不同、但又紧密相关。“系统故障状态”：因个别或少数几个零部件失效，

6、导致机器、装备或系统无法正常工作，失去应有的功能，此系统就处于故障状态。系统故障状态：指局部的、可修复的、暂时的失效。若经更换或修复已失效零、部件，系统就能恢复正常；若失效零、部件过多或损伤过重而不能修复或不宜修复，则该系统完全失效报废。,13,“失效”与“事故”,“失效”与“事故”：因个别零件失效而引发系统中其他零、部件或子系统发生快速破坏，以致系统发生损失严重的整体失效，即“事故”。“事故”强调的是后果，即造成的损失和危害；“失效”强调的是机械产品本身的功能状态。“失效”和“事故”：两者有一定因果关系，但并无必然的联系。“事故”：可由“失效”引起的，也可其他原因造成的。,14,“失效”与“

7、废品”,“失效”与“废品”：两名词含义不同。“废品”：指不符合技术规范、标准或图纸要求、而又不宜返修的产品或零件。“废品”：不具基本功能、尚未投入使用的零件或产品，故就不存在丧失功能的问题。但漏检的废品，可能在使用中产生失效。,15,失效的随机性：早期适应性运行及晚期耗损达到寿命而失效，属可预料正常失效。在运行期间，在何时、以何方式发生失效是随机事件，还暂时无法预料。断裂失效与非断裂失效：机械零、部件产生断裂是失效断裂失效；而因磨损、变形或腐蚀使零部件尺寸变化等也称失效非断裂失效。断裂失效的灾难性：机械产品的失效是经常发生的，突如其来的断裂失效带来灾难性破坏，给生命和财产造成巨大损失。这在国内

8、外工业发展史上是屡见不鲜的。,16,重大失效案例,1944年10月20日，美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气储储藏基地，一台直径21.3m，高12.8m的圆筒形储气罐，由于在1/3 1/2的高度处壳体破裂而喷出气体和液体，随后爆炸起火，20min后，另一台内径为17.4m的球罐因受热倒塌而爆炸，由此造成128人死亡，当时经济损失达680万美元。,1979年9月7日，中国某化工厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使10t液氯外溢扩散，波及范围7.25Km2，致使59人死亡，779人中毒，当时统计的直接经济损失达63万元。,17,重大失效案例,1984年12月3日凌晨，在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司所属一

9、家化工厂，因安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量毒气，造成2500人死亡。该市50万居民中有20万受到毒气侵害，其中2万人需住院治疗。后来美国公司赔偿150亿美元的损失费。,1980年3月27日，北海的石油钻探船Alexander Kiellang号，由于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损失达几千万美元。,18,重大失效案例,1986年1月28日11时39分12秒（美国东部时间），美国“挑战者”号航天飞机，从佛罗里达州肯尼迪航天中心，第10次发射升空后73秒钟，到10英里上空，因助推火箭发生故障，突然爆炸，航天飞机被炸成碎片坠入大西洋。7名宇航员遇难，直接损失12

10、亿美元，停飞近3年，为人类航天史上最严重一次载人航天事故。,19,失效分析,1.失效分析（Failure Analgsis)机器零件的失效特别是断裂失效，危及人员生命及财产安全。为防止失效现象重复发生，提高产品质量，早在20世纪初，就开始对零、构件失效现象进行系统分析研究。随着工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器测试技术的进步，在对大量工程失效现象的行为规律与机理研究的基础上，逐渐形成了一门新的分支学科，即失效学，也称失效分析。失效分析：就是分析失效的原因，研究采取补救和预防措施的技术活动和管理活动。,20,失效分析的目的：不仅要分析和判断失效原因，更重要找出有效的预防和补救措施，

11、以防止同类事故重复发生，它是提高产品的可靠性、寿命的一项积极的工作。即为“坏事变为好事”。失效分析的重点：1.分析失效的原因即所谓“失效诊断”。2.采取相应预防和补救措施即“失效对策”。失效分析的依据：1.机械产品的性能参数；2.机械零件、设备和系统的可靠度分析（数理统计）资料；3.机械零、部件的失效残骸。,21,二、失效分析的意义和重要性,1）失效分析：要找出失效原因，采取有效措施，使同类失效事故不再重复发生，可避免极大的经济损失和人员伤亡。2）促进科学技术的发展；19世纪工业革命，蒸汽机采用，促进铁路运输，但连续发生多起因火车轴断裂，列车出轨事故。大量断轴分析和试验研究表明：裂纹均从轮座内

12、缘尖角处开始。认识到：金属在交变应力下，即使应力远低于金属的抗拉强度，经一定循环积累，也会发生断裂，即“疲劳”。“疲劳断裂”成为金属材料强度学中的一个重要领域，设计疲劳试验机，确立“疲劳极限”的概念，提出抗疲劳设计方法。,22,二战期间，美国有4694艘焊接结构“自由轮”，有1289艘发生不同程度失效。其中：238艘断成两截或严重损坏而报废；19艘沉没；24艘甲板完全断裂。事故多发在美国冰岛英国的北大西洋低温寒冷航线上。,23,战后开展大量失效原因的分析研究，认识到：钢的“缺口敏感性”及“钢的低温脆化”。即碳钢和低合金钢存在脆性转变温度，在低于某一温度就会变脆（对缺口极为敏感）。因当时美国船舶

13、技术标准没有对船体钢的“缺口敏感性”和“低温韧性”提出要求。由此提出了船体钢脆性转变温度的判据。钢的低温韧性转变特性：可很好解释焊接结构“自由轮”、钢制桥梁、压力容器、管道等在低温下工作的失效。,24,4050年代，美国发生数起电站设备的飞裂及英国皇家空军飞机坠毁事故。失效分析表明：钢中的氢（H）及夹杂物的有害作用。奠定了钢的氢脆基本理论，为此发展了碱性和真空冶炼技术，促使冶金技术的发展。,25,大型化工设备不锈钢零、部件断裂失效，受到关注。失效分析认识了金属在其敏感介质系统中，存在各类应力腐蚀开裂行为，并研究其产生机理。如：19651966年间，美国登月计划，用Ti-6Al-4V钛合金制成压

14、力容器曾发生多起应力腐蚀断裂。此外，锅炉钢“碱脆”，黄铜弹壳的“季裂”；镁合金飞机构件存放期间的开裂；核反应堆冷却系统奥氏体不锈钢的开裂等 均为应力腐蚀造成。,26,3）促进机械产品质量和安全可靠性的提高：零件失效：与设计、选材、制造、检验、安装等过程相关；通过失效分析，不断地将失效原因、预防措施等反馈到设计有关部门，进行相应改进，促进产品质量和可靠性提高。A.向设计部门反馈：改进产品设计，完善技术规范；B.向制造部门反馈：改进生产工艺，创制和推广新工艺。C.向材料部门反馈：合理化选材，开发和研制新材料；D.向用户反馈，健全和完善使用、维修制度。失效分析：提高机械产品质量、创建名牌产品的必由之

15、路。,27,4）失效分析是制订或修改技术标准提供的依据：如：美国制造“自由轮”的船用钢板，当时未提出韧性要求；脆性断裂失效分析结果规定：对船用钢板提出韧性要求：15英尺磅。而英国在此基础上，收集大量试验数据，规定了在工作温度下，船用钢板的韧性：1535英尺磅。5）失效分析也是仲裁失效事故、开展技术保险业务及对外贸易中索赔的重要依据。因此，失效分析在国民经济、科技发展中具有重要作用，在世界各国均受高度重视，已成为一门新兴的学科。,28,1-2 机械产品失效的分类,29,失效的分类,机械零部件（机件）的失效：机械零件因力（能量）、温度、介质等物理和化学的作用，而逐渐发生尺寸、形状、状态或性能的变化

16、，并以特定的表现形式丧失其规定的功能。特定的表现形式：即各种“失效形式”或“失效类型”。显然，不同物理和（或）化学过程对应着不同的失效形式。零件失效形式：受多种因素影响，其失效形式也很复杂。为揭示同类失效形式的本质，比较和鉴别各类失效形式，对各种失效形式进行科学的分类是必要的。,30,失效的分类方法,失效的分类方法：也是多种多样的。为便于失效的研究、分析和事后处理，失效按以下三种方法分类：1、从技术观点分类：便于对失效进行机理研究、分析诊断和采取预防对策。2、从质量管理观点分类：便于管理和反馈；3、从经济法观点分类：便于事后处理。本书将主要讨论从技术观点的分类。,31,一、从失效分析技术观点分

17、类,一、从“失效分析技术”观点分类：主要是按失效模式和失效机理分类。失效模式：指失效的外在宏观表现形式和规律。失效机理：指引起失效的微观的物理化学变化过程和本质。两者相结合的分类：可实现宏观与微观相结合、由表及里地揭示失效物理本质和过程，为重要分类方法。按失效的宏观特征，可将机械零件失效分为：断裂失效、非断裂失效 两大类 或 过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效 三类。（一级形式）,32,（一）过量变形失效,（一）过量变形失效：机件在使用过程中，产生超过设计配合要求的过量变形。过量塑性变形失效（二级失效形式）如：花键轴扭曲的扭转变形失效；紧固螺栓的拉长变形失效；孔径的胀大超限失效；动力机械的高

18、温蠕变失效；过量弹性变形失效 如：镗床的镗杠，刚性不足；弹性元件（弹簧）的永久变形失效等。,33,（二）断裂失效,（二）断裂失效：可分为：脆性断裂：断裂前无或很少发生宏观可见塑性变形。韧性断裂：断裂前产生显著的宏观塑性变形。疲劳断裂：在交变载荷下，经一定时间后发生断裂。环境介质引起的断裂、冲击断裂、蠕变持久断裂等二级失效形式。,34,疲劳断裂分类,1、按应力高低分为：低周疲劳高周疲劳高低周复合疲劳失效等三级失效形式；2、按应力来源分为：机械疲劳失效和热疲劳等三级失效形式。机械疲劳失效：又分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳和接触疲劳等四级失效形式。,35,环境介质引起的断裂,环境介质引起的断裂：材

19、料与环境介质的相互作用，在应力作用下，常发生低应力延迟断裂，导致零件失效，也称为环境破断失效或环境诱发开裂失效。又有：应力腐蚀断裂、氢脆断裂、腐蚀疲劳断裂、辐射脆化、液态金属脆化等三级失效形式。,36,（三）表面损伤失效,（三）表面损伤失效：零件表面损伤失效可由磨损和腐蚀而引起的。磨损、腐蚀和断裂是工程构件三种主要的失效形式。断裂失效带来危害最大，但当机件表面损伤（磨损、腐蚀或接触疲劳及复合作用）使机件尺寸变小、光洁度下降，出现腐蚀坑、麻点、剥落等造成机件精度下降、振动增大，逐步发展，最终导致丧失功能（即慢性失效），此类损失也是惊人的。据统计，约有80损坏的机件是因磨损而报废的。表面损伤失效：

20、可分为磨损失效、腐蚀失效。,37,1、磨损失效,1、磨损失效：当材料表面或与流体相互接触，并作相对运动（摩擦）时，因物理和化学作用，引起金属小颗粒逐渐从表面脱落的一种破坏现象，使材料表面形状、尺寸或质量发生变化的过程。磨损属正常现象，但当磨损超过允许值，导致构件功能丧失，则称为磨损失效。如：发动机中汽缸套与活塞环、轴瓦与轴、凸轮轴与杆等。磨损有多种形式，若按其产生机理可分为：粘着磨损、磨粒（料）磨损、腐蚀磨损、冲击磨损、微动磨损、氧化磨损、接触疲劳磨损等。,38,2、腐蚀失效,2、腐蚀失效：腐蚀：机件表面在周围介质（酸、碱、盐）中发生化学、电化学反应或物理溶解而引起的表面损伤的现象。统计表明：

21、世界上生产的钢铁约20 40因腐蚀失效而报废的，除直接损失外，因零件或设备腐蚀而引起停工停产、大量有害（用）物质渗漏，环境污染，甚至造成火灾、爆炸等重大事故，其损失比起金属本身的价值要高的多。金属腐蚀失效分类：常见分类方法：1）按金属与介质的作用性质区分：金属腐蚀：化学腐蚀和电化学腐蚀 两大类；,39,腐蚀失效分类（1）,（1）化学腐蚀 是金属表面与介质发生化学作用引起的，其特点是，在腐蚀过程中无电流产生。化学腐蚀：又可分为 气体腐蚀：金属在干燥气体中发生的腐蚀。如高温氧化；在非电解质溶液中的腐蚀：金属在不导电溶液（有机液体）发生的腐蚀。（2）电化学腐蚀 在腐蚀过程中有电流产生的腐蚀。电化学腐

22、蚀：按所接触的介质环境不同，可分为 大气腐蚀：在潮湿气体（如空气）中进行的腐蚀；土壤腐蚀：埋设在地下的金属制品（管道、电缆）的腐蚀。电解质溶液中的腐蚀：在天然水和大部分水溶液（酸、碱、盐的水溶液）中的腐蚀，此为最为普遍的。熔融盐中的腐蚀：化工容器、设备，盐浴炉中的金属电极。,40,腐蚀失效分类（2）,2）按腐蚀破坏的形式区分：金属腐蚀：均匀腐蚀和局部腐蚀 两大类；（1）均匀腐蚀：在整个金属表面上腐蚀均匀地发生；（2）局部腐蚀：腐蚀仅局限于一定区域内；虽不引起零件外形变化，但性能急剧下降，破坏突然。局部腐蚀：又可分为斑点腐蚀：金属表面似斑点分布，面积大但不深；点腐蚀：金属局部被腐蚀，孔小而深，严

23、重时穿孔；晶间腐蚀：腐蚀沿金属晶界进行，导致金属机械性能下降。缝隙腐蚀：在金属与金属、金属与非金属间的缝隙处发生。选择腐蚀：多元合金中某一组分优先溶解，如黄铜脱锌现象。,41,3、腐蚀和磨损综合作用,3、腐蚀和磨损综合作用腐蚀磨损失效：“咬蚀”：在载荷和一定频率振动条件下，在机件配合处表面产生微小滑动，所引起的一种表面损伤现象。它是机械磨损与化学腐蚀综合作用结果，磨损产物为氧化物，也称为“微动腐蚀磨损”。如：紧配合的轴颈处、拧紧的螺母与螺栓等处。,42,“气蚀”：发生在液体与机件接触处，因相对运动摩擦，液体在高压区形成涡流，气泡在高压区突然溃灭，产生较大循环冲击力，使机件表面疲劳损坏；加上液体

24、介质化学、电化学作用，加速表面破坏。常在水泵零件、水轮机叶片、船舶螺旋桨、柴油机汽缸壁等。“汽蚀”特征：表面先产生“麻点”，在扩展为泡沫或海绵状穴蚀。,43,4、热疲劳,4、热疲劳：当零件处于变化的温度场使用时，因交变热应力的作用下，会产生“热疲劳”损伤。结果在零件表面产生表面裂纹（龟裂），它也是一种表面损伤失效。如：热锻模具、塑料模具等。,44,（四）裂纹失效,（四）裂纹失效：1）工艺裂纹：各种零件在制造工程中产生的工艺裂纹及一些缺陷，虽不能算是失效，但也常需对其产生原因进行分析，采取相应措施加以避免的。其中工艺裂纹包括有：铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、机加工（磨削）裂纹等。2）

25、使用裂纹：原先无裂纹，使用后发现的使用裂纹，则算是一种失效的形式，它属于局部断裂失效。（五）其他各种功能失效：如：紧固件在高温下的松弛紧固力下降；其他的各种光学、磁学、电学等的功能下降。,45,二、从质量管理和可靠性工程观点分类,质量管理：是人们为了保证、改进和提高质量而从事的计划、组织、协调、审查、检验等一系列和控制的活动。产品质量控制网“三性”（健全性、严密性和散布性）“失效”：是产品质量控制网“三性”（发生偏差（弱网、漏网和无网）的反映；,失效分析：就是对质量控制网“三性”的实地检验。因此，失效分析是质量管理的重要组成部分之一。,46,可靠性工程：是运用系统工程的思路和方法，权衡经济利弊

26、，把设备（或系统）的失效率降低到可接受的程度，从而进行合理故设计（可靠性设计）和管理的一门技术。可靠性工程实质：就是预测、预防和控制失效的技术工作和管理活动，而“失效分析”则是可靠性工程的技术基础。失效从质量管理和可靠性工程的观点分类：即从 1.失效发展的过程 2.速度 3.失效的工程含义（即失效的整体性、可修复性和相关性）来分类。,47,1、按产品失效的发展过程分类,1按产品失效的发展过程分类：,若以失效率单位时间内发生失效的概率来描述产品失效的发展过程，那末，在不进行预防性维修的情况下，设备、元件的失效率与其工作（使用）时间 t 间关系成典型失效率曲线。,因曲线的形状与浴盆相似故称为“浴盆

27、曲线”。产品失效按其发展过程分类：对可靠性工程是十分有用的。,48,（1）早期失效期,按照“浴盆曲线”的形状，即按产品失效的发展过程，可将整个失效过程分为三个时期：,（1）早期失效期：在产品使用初期，易暴露设计和制造上的缺陷，产品早期失效率高。随着使用时间的延长，失效率则很快下降。“幼年期”,若产品出厂前，进行“老练“过程，即可靠性试验，那么，在产品使用时，从一开始便可使失效率大体保持恒定值。,49,（2）偶然失效期,（2）偶然失效期：理想情况下，在产品磨损或老化前，应无“失效”的，但因环境偶然变化、操作时人为偶然差错或管理不善造成的“潜在缺陷”，仍有产品发生偶然失效。偶然失效率：是随机分布的

28、、很低的和基本恒定的，又称为随机失效期，相当人的“青壮年期”。,这是产品最佳工作时期。偶然失效率的倒数1/即为无失效的平均时间。,50,（3）磨损失效期,（3）磨损失效期：经偶然失效期后，设备中元件已到寿命，失效率开始急剧增加，标志产品进入“老年期”，其失效称磨损失效，或磨耗失效。,若在进入磨损失效期之前，进行必要的预防维修，其失效率仍可保持在偶然失效率附近，从而可延长产品的偶然失效期（使用寿命）。,51,2、按产品失效发生的速度分类,2按产品失效发生的速度分类：突发失效；渐进失效；间歇失效。3按产品失效的工程含义分类：按其整体性可分为：系统失效，部件失效。按其修复可能性可分为：暂时失效，永久

29、失效。按其相关性可分为：独立失效和从属失效；或分为：关连失效和非关连失效等。,52,三、从“经济法”的观点分类,三、从“经济法”的观点分类：机械产品失效会造成一定的经济损失、甚至人员的伤亡，往往会引起赔偿和责任的诉讼。失效按“经济法”的观点分类：是为分清和判处失效的法律责任和经济责任。此分类方法在处理索赔的失效事件时尤为重要。1按失效的责任分类：产品本质缺陷失效；误用失效；正常的磨损(或耗损)失效；外界影响失效。,53,2按失效的后果分类：恶性失效；致命失效(灾难性失效)；退化失效。3按失效的程度分类：完全失效；部分失效,54,l-3 失效分析的工作内容,55,失效分析的工作内容,失效分析的工

30、作内容：包括三个方面（1）失效分析的业务工作（即“门诊”工作）；（2）失效分析的研究工作（即“机理研究”）；（3）失效分析的管理及技术反馈工作（即“事后处理”）。一、失效分析的业务工作：包括两个方面 产品的失效分析（事后分析）；产品的安全度评定和剩余寿命的预测（事前分析）。,56,1）产品的失效分析,（1）失效事件分析的全过程：一般包括三个阶段 侦测(Detection)诊断(Diagnosis)事后处理(Prognosis)简称：DDP，也称为失效分析工作的三要素。即利用各种“侦测”手段，调查、侦查、测试和记录有关失效的现场、参数和信息；(现场调查)通过“诊断”，鉴别和确定产品失效的模式、过

31、程、原因、影响因素和机理；（实验室研究）经过“事后处理”，研究采取补救(服役件)、预防措施及其它技术、管理的反馈活动。,57,（2）产品失效分析的重点：产品的早期失效事件、突发性失效事件以及致命的失效事件，因这些失效事件的分析事关重大或关系到全局。（3）失效分析的深度：依分析目的和要求不同而异。作为法律依据：主要是要判定失效程度、后果和责任方面；作为整顿质量管理的线索和获得可靠性工程的数据：一般希望确定失效发生的阶段、对策等；为研究和掌握产品失效规律及内在本质：则应着眼于失效模式、机理、影响因素和控制参量的定性或定量的研究。,58,（4）失效分析的方法和内容：按产品发展阶段不同也各不相同。试制

32、阶段：失效原因常与设计因素有关，应与设计人员密切配备，有利于失效原因正确诊断，且分析结果能迅速反馈；试生产阶段：失效原因多半与工艺因素有关，应与工艺技术人员相结合；定型生产阶段：失效原因一般与管理因素有关，应着重考查质量控制网的健全性、严密性和散布度，也应将用户和修理行业纳入到失效分析体系中来。,59,2）产品的安全度评定和剩余寿命的预测,（1）产品的安全度或产品的可靠度R(t)：产品的安全度：指产品在规定条件下和规定时间内，能够完成规定功能的概率。相对于产品失效率 F(t)概念而言的，即 R(t)1F(t)产品安全度评定：定量地计算产品工作到某一时刻 t 尚能满足规定功能的概率。或者，估算产

33、品工作到某一时刻 t，在尚能满足功能的产品中，在此后单位时间内发生失效的概率。,60,产品剩余寿命的预测：实质是偶然失效率的估算问题。产品剩余寿命预测：即估算产品无失效平均工作时间 t。平均工作时间：偶然失效期失效率的倒数，即 tl。,产品安全度评定剩余寿命的预测都是失效分析重要的业务工作之一。,61,产品安全度评定和剩余寿命预测工作重点：主要是对重大的机械产品和带缺陷产品。评定和预测工作关键：通过可靠性试验，获得产品在各种模拟的使用条件和环境条件下，可能会有哪种失效模式；对产品功能会产生什么影响；严重程度如何；发生失效的概率有多大；应如何预防等方面的资料和数据。这些资料和数据经失效分析来修正

34、后，才使评定和预测结果接近于客观实际。,62,二、失效分析的研究工作,二、失效分析的研究工作：包括四个方面 失效物理的研究；失效机理的研究；失效诊断的研究；失效预防工程技术方面的研究。,63,1）失效物理的研究工作,失效物理（可靠性物理）：在原理上，从原子和分子的角度出发，来解释元件、材料失效的现象。失效物理基础：是数理统计方法、可靠性工程和材料科学工程学。失效物理基本研究工作内容：1.失效物理模型定性及定量的描述方法；2.失效物理模型的识别及其应用。,64,基本的失效物理模型,基本的失效物理模型有：主要有理化模型和概率模型两类。1、界限模型与耐久模型；2、应力强度模型；3、反应论模型；4、失

35、效率模型；5、最弱环模型（串联模型）；6、“绳子”模型（并联模型、最大寿命系统）；7、退化模型或损伤累积模型 等，内容十分丰富。,65,1、界限模型与耐久模型,1、界限模型与耐久模型：界限模型认为：材料失效有以下两种情况：当应力超过某界限时，即引起失效，如弹簧：当应力超过材料弹性极限时，发生永久变形而失效。当能量积累超过某极限时，也会引起破坏，如脆性材料，当裂纹前端积蓄的弹性应变能G1大于其临界值G1c时，裂纹失稳扩展而脆断。耐久模型认为：在能量积累到使产品破坏程度的过程是需要时间的，在此时间内，材料本身因蠕变、磨损、疲劳、腐蚀等原因可能出现弱化，故也称“退化模型”。,66,2.应力强度模型,

36、2.应力强度模型:材料力学认为：当外加应力超过材料极限强度，失效即刻发生。经典设计：引入安全系数，即强度留有余量，但经一段时间服役后，材料强度弱化，应力就有可能超过材料强度极限，而使材料失效。,67,3.反应论模型,3.反应论模型：认为：材料损坏或退化，都因微观上原子、分子变化引起；“反应”：含化学反应（热、介质）、物理变化（变形、应力、质量、磨损、扩散、裂纹扩展等引起内部平衡破坏，产生“化学反应”、结构变化等原因，当有害的“反应”持续到某限度，失效便发生。,反应前正常态反应后退化态的过程，所需能量（激活能）。激活能：由外界环境（“应力”）提供的。,68,4.串联模型与最弱环模型,4.串联模型

37、与最弱环模型：属于概率模型。设装置、系统由n个要素构成，且各要素独立，若其中任一要素失效都会导致系统故障，则该系统为串联系统，等价模型为串联模型。整体可靠性Rs(t)：为系统各独立部件的可靠性Ri(t)之积。Rs(t)=R1(t)R2(t)Rn(t)系统失效率：为各部件失效率之和。s(t)=1(t)+2(t)+n(t),1,n,载荷,69,串联模型：恰是链条，构成链条的某一个环断了，链条也就断了。这些环中最弱者（寿命最短者）确定了链的寿命。串联模型：也称最弱环模型、链环模型或最小寿命系统。,70,5.并联模型与绳子模型,并联模型：与串联模型相反，若系统组成要素中任一个发生失效，系统照样能处于可

38、靠状态；只有当所有要素同时失效时系统才发生故障。并联系统可靠度：最高，比各要素的可靠度都高，并联模型：似“绳子”，由若干细条组成，同时承受载荷。若某一细条断了，其余各细条承受载荷增加，即各细条间并不完全独立，故并联模型也称“绳子”模型。,并联系统寿命：取决于最可靠的、寿命最长的结构要素，也称最大寿命系统。,载荷,1,n,71,2）失效机理的研究工作,失效机理：研究失效的物理、化学原因、失效过程及其影响因素等。失效物理研究：研究各种失效模式（模型）及其应用；相当于“病症”。失效机理研究：研究各种失效本质（物理、化学原因）和过程；即“病理”。具体地说，失效机理：主要 研究外部因素如：应力、温度和环

39、境等对失效的影响；研究内部因素如：材料成分、组织结构和性能等的影响。,72,失效机理的研究：不仅对单一的失效机理，要特别加强各种复合失效机理的研究；如：高温疲劳、应力腐蚀、腐蚀疲劳、疲劳磨损、蠕变疲劳、微振磨损、冲蚀磨损等。失效机理的研究：是失效分析重要的理论基础。只有在深入研究失效机理的基础上，才能正确进行的失效分析工作；反过来，大量地、深入地开展实际的失效分析工作，又将进一步加深对错综复杂的复合失效机理的认识。失效机理研究是基础，失效分析工作是实践。,73,3）失效诊断的研究工作,3）失效诊断的研究工作：失效诊断：就是分析、判断失效原因的思维学和方法论。失效的诊断研究：一般包括三个方面 失

40、效诊断依据的研究；失效诊断思路的研究；失效诊断技术与方法的研究等。,74,失效诊断依据的研究,失效诊断依据：由各方面获得信息，作为综合判据。1.产品性能参数与工况：工况分析及状态监测和失效诊断密切相关，既是失效诊断依据，又是失效预防措施之一；2.产品可靠度统计资料：进行失效诊断，实质就是进行产品的可靠度计算、评定和剩余寿命的估算工作；3.失效残骸分析：是最常用的失效诊断方法。失效残骸诊断术：通过对残骸断口、裂纹、应力、材质、工艺、工作环境的综合分析，对失效原因作出正确判断，并提出补救和预防措施。,75,失效诊断思路的研究,失效诊断思路研究：即研究失效诊断的逻辑思维或推理判断的方法和程序，包括逻

41、辑推理、判断和电子计算机在失效诊断方面应用等，其中：失效形式及影响分析法FMEA法，失效模式及影响危险度分析法FMECA法、失效树法FTA法、现象树法ETA法、特性因素法 等应用较多。目的和任务：要完善、发展和推广应用各种逻辑诊断思路。,76,失效诊断技术的研究,失效诊断技术研究：指用什么仪器设备和技术方法；如：材质分析：可用无损探伤、金相分析、断口分析、化学分析、力学性能测试等多种物理、化学的方法。了解各种分析技术方法原理、优缺点和应用，指导分析者正确选用，以获得必要而充分的信息和数据，作为失效诊断的有力依据。失效诊断技术研究：应注重：1.各种分析技术方法优缺点、应用范围；2.对同一目的，不

42、同方法间横向比较和正确选用上;3.不应注重各种方法的理论或仪器具体构造细节。,77,4）失效预防的研究工作,失效预防研究工作：探讨各种补救措施、预防方法和管理途径，失效分析成果反馈，以防止同类失效事故重复发生。失效预防研究工作：范围很广，包括 机械系统或设备的性能参数分析和诊断技术；工况监测方法、技术；产品安全度评定和剩余寿命估算；失效预防工程方法；如：断裂失效临界状态评定和预测方法失效评定图、断裂控制图、蠕变机制图和疲劳机制图等的建立、研究开发和应用推广。还有，产品失效维修原则、技术、方法等的研究。,78,三、失效分析的管理和技术反馈,失效分析的管理和技术反馈：应该包括全国性、部门性、地区性

43、失效分析和管理机构的建立；失效分析技术指导性文件、规程和标准的颁布和实行；失效事件分析工作的组织和管理；失效研究工作的组织和开展；失效及可靠数据库和技术反馈系统的建立和运转；各级失效分析人员的培训和提高等。失效分析定义：把“管理活动”当作失效分析不可缺少的内容和环节之一。,79,l-4 失效分析与其他学科、技术之间的关系,80,一、失效分析与基础学科的关系,机械失效学：是一门交叉、边缘、综合的新兴学科，它与多种学科和技术有关。基础学科与机械失效学相结合，形成不少边缘学科，例如，,81,一、失效分析与应用学科、技术的关系,机械失效学：与许多应用学科、技术有密切的联系。“机械”对象，应了解与机械学有关专门知识；“材料”裁体，涉及材料科学和工程领域的各种知识；“环境”发生的条件，与环境科学知识有关；“检测”信息获取的重要途径和手段，离不开宏观和微观的各种检测的知识；“分析”核心，涉及逻辑学和数理统计有关的专门知识；失效分析：还是一种“管理活动”，失效分析成果的反馈，又与管理科学的专门知识有关。,82,第一章结 束,