失效分析的评价

班级：材科102 姓名：李金龙

学号：201001524213

失效分析

失效分析的评价

随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的重视。为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械构件的失效（断裂）现象进行了大量的分析和研究，日益完善了失效分析技术及其基本理论。应用失效分析技术——可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及质量管理等方面工作；同时失效分析技术又是制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依据之一。大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发展，都具有极其重要的作用。 一、失效的概念

所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。亦可称为故障或事故。一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据： （1）零件完全破坏，不能工作； （2）严重损伤，继续工作不安全；

（3）虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。 上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。

零件的失效，特别是那些事先没有明显征兆的失效，往往会带来巨大的损失，甚至导致重大事故。因此，对零件的失效进行分析，找出失效的原因，并提出防止或推迟失效的措施，具有十分重要的意义。另外，失效分析的结果，对于零件的设计选材、加工以及使用等也都是完全必要的，它为这些工作提供了实践基础。

二、失效的形式

最常见的失效形或是以下几种：

1.塑性变形 受静载的零件产生过量的塑性（屈服）变形，位置相对于其它零件发生变化，致使整个机器运转不良，导致失效。

2．弹性失稳 细长件或薄壁筒受轴向压缩时，发生弹性失稳，即产生很大的侧向弹性弯曲变形，丧失工作能力，甚至引起大的塑性弯曲或断裂。

3．蠕变断裂 受长期固定载荷的零件，特别是在高温下工作时，蠕变量超出规定范围，因而处于不安全状态，严重时可能与其它零件相碰，造成断裂。 4．磨损 两相互接触的零件相对运动时，表面发生磨损。磨损使零件尺寸变化，精度降低，甚至发生咬合，剥落，而不能继续工作。 5．快速断裂 受单调载荷的零件可发生韧性断裂或脆性断裂，韧性断裂是屈服变形的结果；脆性断裂无明显塑性变形，常在低应力下突然发生，它的情况比较复杂。在高温、低温下能发生；在静载、冲击载荷时可发生；光滑、缺口构件也可以发生。但最多的是有尖锐缺口或裂级的构件，在低温或受冲击载荷时发生的低应力断裂。 6．疲劳断裂 零件受交变应力作用时，在比静载屈服应力低得多的应力下发生突然断裂，断裂前往往没有明显征兆。 7．应力腐蚀断裂 零件在某种环境中受载时，由于应力和腐蚀介质的联合作用，发生低应力脆性断裂。在以上各种失效中，弹性失稳，塑性变形，蠕变和磨损等，在失效前一般都有尺寸的变化，有较明显的征兆，所以失效可以预防断裂

可以避免；而低应力脆断，疲劳断裂和应力腐蚀断裂往往事前无明显征兆，断裂是突发的，因陋就简此特别危险，会带来灾难性后果。它们是当今工程断裂事故的三大主要缘由。

同一种零件可有几种不同的失效形式。对应于不同的失效形式，零件具有不同的抗力。例如，轴的失效可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形。究竞以什么形式失效，决定于具体条件下零件的哪种抗力最低。

因此，一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少同时以两种形式主导失效的。但它们可以组合为更复杂的失效形式，例如，腐蚀疲劳、蠕变疲劳、腐蚀磨损等。

根据零件破坏的特点，所受载荷的类型以及外在条件，失效的形式可以归纳和区分为三大类型：变形失效、断裂失效和表面损伤失效。

三、失效分析

失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及变形等失效现象的特征及规律，并从中找出产生失效主要原因的一门新的学科或分析技术。也称之为故障分析或事故分析等。

失效分析是门多学科的边缘科学，它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。只掌握一门学科是不行的。失效分析在整个机械产品制造过程中占据重要地位。

失效分析对改进产品设计、选材等提供依据，并可防止或减少断裂事故的发生；通过失效分析还可预测可靠性，特别是利用“失效树”来预测系统的安全可靠性更为有力。所谓“失效树”是指由各种可能引起系统失效的事件和连接这些事件的逻辑门组成的图形，并显示出它们相互之间的关系。失效分析可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反馈作用，明显提高经济效益。 四、失效的原因

零件失效的原因大体在于设计、材料、加工和安装使用等四个方面。

1．设计不合理 最常见的情况是，零件尺寸和几何结构不正确。例如，过渡圆角太小，存在尖角、尖锐切口等，造成了较大的应力集中。另外，设计中对零件工作条件估计错误。例如，对工作中可能的过载估计不足，因而设计的零件承载能力不够。或者对环境的恶劣程度估计不足，忽略或低估了温度，介质等因素的影响，造成零件实际工作能力的降低。现在，由于应力分析水平的提高和对环境条件的重视，由于设计不合理造成的事故已大大减少。 2．选材错误 设计中对零件失效的形式判断错误，使所选用的材料的性能不能满足工作条件的要求；或者选材所根据的性能指标，不能反映材料对实际失效形式的抗力，错误地选择了材料。另外，所用材料的冶金质量太差。例如夹杂物多，杂质元素过多，存在夹层等。它们常常是零件断裂的策源地。所以原材料的检验很重要。

3．加工工艺不当 零件在加工和成形过程中，由于采用的工艺不正确，可能造成种种缺陷。冷加工中常出现的缺陷是：表面光洁度太低，存在较深的刀痕，磨削裂纹等。热成形中最容易产生的缺陷是过烧、过热和带状组织等。而热处理中，工序的遗漏、淬火冷却速度不够，表面脱碳，淬火变形、开裂等，都是造成零件失效的重要原子核因。尤其当零件厚度不均，截面变化急剧，结构不对称时（这些都是设计的问题），热处理工艺对零件失效的影响，更应特别注意。 4．安装使用不良 ①安装时配合过紧，过松，对中不好、固定不紧等，都可能使零件不能正常地工作，或工作不安全。②使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零件在不正常的条件下运转。例如，零件磨损后未及时调整间隙或进行更

换，会造成过量弹性变形和冲击受载；③环境介质的污染会加速磨损和腐蚀进程，等等。

所有这些情况对失效的影响都是不可轻视的。

以上只讨论了导致零件失效的四个方面的原因，但实际的情况是很复杂的，还存在其它方面的原因。另外，失效往往不是单一原因造成的，而可能是多种原因共同作用的结果。在这种情况下，必须逐一考查设计、材料、加工和安装使用等方面的问题，排除种种可能性，找到真正的原因，特别是起决定作用的主要原因。

五、失效分析的方法

现在，失效分析已成为一门科学。它包括逻辑推理和实验研究两个方面，在实际应用中应把它们结合起来。这里主要谈实验研究方面。

失效的原因主要在设计、材料、加工工艺、安装使用等四个方面，所以失效分析中的实验研究也应该主要集中在这些方面。要充分地利用各种宏观测试和微观观察手段，有系统、有步骤地实验和研究失效零件中的变化，以便从蛛丝马迹中找到零件失效的根源。影响失效的因素很多，失效与诸多因素之间关系网如图示，可见失效的系统分析是非常复杂的。

下面简介大致分析步骤。

失效分析技术 机械性能测试 化学分析 金相分析 断口分析 无损探伤 应力分析 服役条件 失效零件

失效类型 变形 断裂 磨损 力学分析 应力分析失效原因 设计 材料 工艺 装配使用 主要抗力指标 改进设计抗力指标与内外因素关系 改进工艺 加强管理指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径 实验室试验 使用考验工业试验 失效分析的基本环节示意图。

1．收集失效零件的残体，观测并记录损坏的部位、尺寸变化和断口宏观特征；收集表面剥落物和腐蚀产物，必要时照相留据。

2．了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏的顺序。

3．审查有关零件的设计、材料、加工、安装、使用、维护等方面的资料．。

4．试验研究，取得数据。一般根据需要选择以下项目试验。

（1）化学分析 检验材料成分与设计要求是否相符。有时需要采用剥层法，查明化学热处理零件截面上的化学成分变化情况；必要时还应采用电子探针等方法，了解局部区域的化学成分。

（2）断口分析 对断口做宏观（肉眼或立体显微镜）及微观（高倍光学显而易见微镜或电子显微镜）观察，确定裂纹的发源地，扩展区和最终断裂区的断裂性质。 （3）宏观健全性检查 检查零件的材料及其在加工过程中产生的缺陷，如与冶金质量有关的疏松、缩孔、气泡、白点、夹杂物等；与锻造有关的流线分布、锻造裂纹等；与热处理有关的氧化、脱碳、淬火裂纹等。为此，应对失效部位的表面和纵横剖面作低倍检验。有时还要用无损探伤法检测内部缺陷及其分布。对于表面强化零件，还应检查强化层厚度。

（4）显微分析 判明显微组织，观察组织组成物的形状、大小、数量、分布及均匀性，鉴别各种组织缺陷，判断组织是否正常。特别注意失效源周围组织的变化，这对清查裂纹的性质，找出失效的原因非常重要。

（5）应力分析 采用实验应力分析方法，检查失效零件的应力分布，确定损

害部位是否为主应力最大的地方，找出产生裂纹的平面与最大主应力方向之间的关系，以便判定零件几何形状与结构受力位置的安排是否合理。 （6）机械性能测试 根据硬度能大致判定材料的机械性能；对于大截面零件，还应在适当部位取样，测定其它机械性能。

（7）断裂力学分析 对于某些零件，要进行断裂韧性的测定。为此，用无损探伤测出失效部位的最大裂纹尺寸，按照最大工作应力，计算出断裂韧性值，由此判断发生低应力脆断的可能性。KI =σ πa a—裂纹半长 σ—工作应力（无限宽板穿透裂纹）

5．综合以上各种资料，判断失效的原因，提出改进措施，写出分析报告。

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