機械產品的失效分析流程探討

張磊

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西西安 710077)

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機械產品的失效分析流程探討

張磊

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西西安 710077)

失效分析用于提高產品安全性、可靠性，對改進產品設計、產品創新均具有重要的意義。探討了機械產品試驗失效后的信息記錄和分析方面的要求，總結出了較為完整的失效分析流程，它可以使分析工作有條不紊，客觀全面地指導實際工作。

機械產品；失效分析；產品試驗

0 引言

機械產品的零件或部件處于下列3種狀態之一時就可定義為失效：(1)完全不能工作；(2)仍然可工作，但已經不能令人滿意地實現預期的功能；(3)受到嚴重損傷，不能可靠和安全地繼續使用，必須立即從產品或裝備拆卸下來進行修理或者更換[1]。我國在學術上的表述形式：系統、設備、零件等產品喪失額定功能的現象，稱之為“失效”[2]。

失效分析是通過對失效殘骸的研究，查明失效的機制和過程，并對失效的原因做出判斷，有針對地提出防止或延遲失效的措施，避免同類失效再次發生。通常整機的失效是由某個零件首先失效而引發，而零件的失效都是從最薄弱的部位開始，而且必然在其殘骸上留下失效的信息，這就為失效分析提供了基礎[3]。

為了考核變速器的性能指標，進行臺架試驗是一個重要而且經濟的手段，這樣不僅可以在較短時間內全面地了解變速器的性能，同時能減少將變速器直接安裝在汽車上進行道路試驗所帶來時間和經費方面的投入[4]。

1 失效信息的收集

試驗樣件失效時，首先要收集失效信息。收集失效信息是失效分析工作中具有戰略意義的一步，也是最為繁瑣、最為復雜的一個階段[5]。需要了解各零件或部件的構成、功能、原理及運行情況，同時需要有較好的失效分析技術，以便對第一手資料進行初步的分析和加工，為進一步的失效分析準備充足和豐富的依據和資料。

試驗后失效信息的采集和記錄應包括以下幾點：

(1)記錄產品的服役條件及失效時運轉工況。

(2)收集試驗樣件的技術資料和歷史信息。

(3)記錄樣件的拆檢情況，收集實物資料，拍照留據。

(4)利用失效分析技術進行觀察及測試檢驗，記錄信息及數據。

2 失效原因的分析

2.1 零件的失效分析

在獲取充足的零件失效信息后必須經過思維的加工，上升為零件失效分析的依據或理論。零件失效分析須根據收集的信息診斷零件的失效形式、失效機制，繼而綜合全面地運用系統的分析方法分析得出結果。

(1)零件的失效形式

診斷零件的失效形式是開展失效分析重要及首要的工作，它決定著失效分析繼續工作的方向[6]。零件在一種或幾種物理和(或)化學的作用下，逐漸地發生尺寸、形狀、狀態或性能上的變化，并以特定的失效形式失去其預定的功能。根據零件破壞的特點、所受載荷的類型及外在條件等宏觀特征，可以將零件的失效形式分為3大類型：變形失效、斷裂失效和表面損傷失效。其中每一類型還包括幾類失效，如圖1所示。

判定機械產品的試驗是否通過時，相關技術標準即從這基本的3個一級的失效類型對考核零件的失效有了清晰的界定，但由于一級失效類型展開的次級失效類型在產生條件、特征及判據上均有差異，為了正確合理地分析失效原因，描述整機失效的全部情況，在失效分析時應當進一步掌握失效形式的次級形式。

圖1 零件失效的形式

同一零件可以有幾種不同的失效形式，不同失效形式的零件具有不同的抗力，究竟以什么形式失效，決定于具體條件下零件的哪一種抗力最低[7]。因此，零件的失效總是由某一種形式起主導作用，很少同時以兩種形式失效，但可以組合成較為復雜的失效形式。

(2)零件的失效機制

失效機制是指失效的物理、化學變化本質和微觀過程，可以追溯到原子、分子尺度和結構變化，與此相對的是表現出與宏觀性能、性質的變化和聯系。它是對失效內在本質、必然性和規律性的研究，是對失效內在本質認識的理論提高和升華。一個失效事件在失效機制尚未揭示的情況下，就得出原因的診斷及結論，有可能造成誤判[8]，因此，在失效分析中分析零件的失效機制是必不可少的環節。

2.2 整機的失效分析

判斷零件失效順序，找到起始失效的零件。當多個零件失效時，需要找出各零件失效的直接原因和間接原因，判斷零件的失效順序，繼而分析出整機失效的主要原因和次要原因。失效分析既可以從原因入手，也可以從結果入手，還可以從失效的某個過程入手[9]。

當各個零件裝配在一起后，整機的一些失效特征是單個零件不具有的，還需考察整機可能的失效原因。

2.3 失效分析方法

失效原因的診斷常采用理化診斷法和系統工程診斷方法[10]。理化診斷方法有以失效強度、生產工藝及服役條件為主線的診斷方法。這里推薦較為全面的系統工程診斷方法，常用的有故障樹分析法(Fault Tree Analysis，FTA)、魚骨圖分析法、特征分析法、失效模式及影響分析法(Failure Mode and Effect Analysis，FMEA)和事件樹分析法(Event Tree Analysis，ETA)等，在具體分析試驗結果時，根據情況選用適合的分析方法。

2.4 失效原因判定

失效原因的診斷是失效分析的核心和關鍵。引起失效的原因是復雜的，大致歸納為內因和外因兩個方面。內因是指材料品質、結構設計及加工工藝等材料方面的因素；外因指載荷條件、溫度及環境介質等環境因素。任何產品的失效都是在材料或零件的強度(韌性)與應力因素和環境條件不適應的條件下發生的。能夠在可操作層面上給出合理的改進意見和防范措施，將失效原因分為以下4個方面：

(1)設計因素，包括方案設計、結構設計和工藝設計。常見的情況是：零件的尺寸和幾何結構不正確、過渡圓角太小存在尖角等原因造成的應力集中、相關配合公差值選用不當、對工作環境條件缺乏充分估計等。

(2)工藝加工因素。盡管零件原始設計是正確的，但是實際工藝制造條件不滿足設計要求，仍會發生各式各樣的故障導致失效。例如：熱成形中產生的過熱、過燒；熱處理工藝的遺漏、淬火變形、開裂；機械切削中出現的表面粗糙度過高、磨削裂紋等。工裝安裝時的過緊過松、位置度有偏差、對中不好、固定不緊及遺漏安裝零件等都可能使零件不能正常地工作或存在安全隱患，成為零件失效的誘因。

(3)材料因素。材料引起的失效，可能是由于材料特性不適合服役條件，也可能由于對材料的工藝性能考慮不周導致無法達到設計要求，且還需要注意材料的經濟性。

(4)使用因素。如違規操作、未能及時維修保養，構件在非設計條件下運行。

失效原因也可以分為一級失效原因、次級失效原因以及類推更細一級的原因，這為失效分析的系統工程診斷方法提供了思路和參考。一級失效原因一般指釀成該失效事件的首要失效因素，即上述四大失效因素。次級失效原因是指一級失效原因中的直接關鍵環節，如設計因素中的結構設計。次級因素可以再細分，越是低級次的失效原因，就越是本質的失效原因。

在機械產品試驗的失效原因分析時，旨在排除工藝加工因素及使用因素后，查明設計因素和材料因素，對產品的改進提高提出有效方法和預防措施。

3 失效分析流程探討

現在總結出機械產品的失效分析步驟，失效分析的流程圖如圖2所示：(1)收集失效時運轉工況及服役條件的信息；(2)審視樣件的技術資料和歷史信息，同時搜集學習同類產品的失效分析文獻；(3)根據標準判定零件的失效形式及程度，拆檢記錄后收集實物資料，拍照留據；(4)利用失效分析技術進行觀察及測試檢驗，記錄信息及數據，包括以下內容：宏觀分析、微觀分析、金相檢驗、化學成分分析、力學性能測試、尺寸測量等必備環節，還需根據情況選擇冷脆檢驗、殘余應力檢驗、氫脆檢驗等檢測項目；(5)診斷零件的失效形式、失效機制，同時考慮診斷整機的失效形式；(6)判斷零件的失效順序，分析整機失效原因，并給出改進意見及預防措施；(7)出具產品的試驗報告及失效分析報告，整理完整資料后存檔。

圖2 失效分析流程圖

近年來隨著計算機輔助失效分析系統的開發研究，產品在服役過程中在線監測、診斷技術及服役壽命的預測日益受到重視[12]。在產品試驗環節中，計算機輔助失效分析系統能夠在產品失效早期發現異常情況，不僅減少經濟上的損失，也使得在失效分析時能夠避免復雜的情況出現，降低分析難度。與此同時，企業可在實踐中不斷建立和完善失效案例庫，成立失效分析專案組和相關部門，以不斷提高產品的安全性和可靠性以贏得市場優勢。

4 結束語

失效分析是一個復雜的研究過程，需要運用多個學科的知識及理論基礎、當代先進的檢測技術和積累的豐富經驗。文中探討并總結出了較為完整的失效分析流程，對實際工作的開展具有較好的參考依據，研究人員在掌握充分和準確的信息資料后，根據相應的標準和適合理論進行正確的分析和判斷，根據分析背景規范完整的失效分析流程，能夠在充分考慮各方面因素情況下，對產品改進給出客觀合理的建議。

[1]DAVIS J R.Metals Handbook[M].2nd Ed.ASM,1998:256.

[2]陳南平,顧守仁.機械零件失效分析[M].北京:清華大學出版社,1988:33.

[3]周玉.材料分析[M].2版.北京.機械工業出版社,2004:213.

[4]廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京:化學工業出版社,2003:32.

[5]BROOKS C R,CHOUDHURY A.Failure Analysis of Engineering Materials[M].McGraw-Hill Company,2002.

[6]張棟,鐘培道.失效分析[M].北京:國防工業出版社，2004.56

[7]劉瑞堂.機械零件失效分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2003.

Discussion on Failure Analysis Process of Mechanical Product

ZHANG Lei

(Test Center of Shaanxi Fast Auto Drive Engineering, Xi’an Shaanxi 710077,China)

Failure analysis has great significance for improving product safety, reliability and for improving product design and innovation. The requirements for information recorded and analysis after product failure were discussed, a more complete failure analysis process was developed. This process can make the analysis in good order, objective and comprehensive. Thus work efficiency can be improved, and with its help, the failure analyzers can get right conclusions.

Mechanical products; Failure analysis; Product test

2017-03-09

張磊(1988—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為疲勞而久。E-mail:leizhangauto@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.022

U461

A

1674-1986(2017)07-080-03