機械零件失效分析技術路線

翟鳳 張鵬 趙舉

摘 要：基于當前常見的失效分析思路往往在某些方面存在缺陷，本文對失效分析過程進行全面的總結和歸納，形成一個完整的全面的，能夠在失效分析領域通用的失效分析思路。1失效原因初步預測，2初去現(xiàn)場收集資料，3按零件制造情況和使用條件分析，4 制定失效分析方案，5總結分析失效原因，6再現(xiàn)試驗，7 狀況的檢討，8.明確責任提出對策，9.完成失效分析報告，10反饋失效分析成果。

0引言

機械產(chǎn)品的失效分析思路是指以失效規(guī)律（宏觀表象特征和微觀表象機理）為理論依據(jù)，通過調(diào)查、觀察、試驗獲得產(chǎn)品失效信息（失效現(xiàn)象、失效對象、失效環(huán)境）分別加以考察，然后有機結合起來作為整體考慮以獲取的客觀事實為證據(jù)，全面應用邏輯推理方法，判斷失效事件的失效模式，推斷失效原因[1]。

1常見失效分析思路

常用的失效分析思路有不少，如逐個因素排除思路、殘骸分析法、失效樹分析法等，這些失效分析方法在某些情況下可以實現(xiàn)很好的應用，或者考慮因素全面，或者能縮小分析范圍，或者可以提高系統(tǒng)分析可靠性。但這些失效分析方法或多或少都有一些不足的地方，本文對失效分析過程進行全面的總結和歸納，形成一個完整的全面的，能夠在失效分析領域通用的失效分析思路。

2總結全面的失效分析思路

全面的分析思路就是要能夠想到失效分析的各種情況，將他們整合歸納到一起，作為失效分析的通用思路，給以后的失效分析研究一些借鑒。下面就是整理的一種全面的失效分析思路，如圖2.1所示，將逐步進行介紹。

2.1失效原因初步預測

任何一種失效事故的發(fā)生，其原因無外乎六種：操作人員、機械設備系統(tǒng)、材料、制造工藝、環(huán)境和管理[2]。在處理一件失效事故之前，成熟的做法是將這幾種失效原因考慮全面，并根據(jù)初步的了解進行第一次預測，找出最具可能性的一種或幾種失效原因。

2.2初去現(xiàn)場收集資料

第一次去事故現(xiàn)場時需要收集以下幾方面的資料：

1）設計資料。包括零件名稱，功能，設計依據(jù)及要求，服役位置及配合情況。

2）材料資料。是指該零件應選用的原材料，材料等級，工藝性能等。

3）制造資料。包括該零件的加工工藝流程，包括鍛造、機加工、焊接、熱處理、表面處理情況以及裝配等方面。

4）工況資料。包括使用經(jīng)歷，使用壽命、操作溫度、環(huán)境介質(zhì)，載荷形式，受力情況，加載速度、有無超載現(xiàn)象等。

5）失效現(xiàn)場情況。對現(xiàn)場和失效件進行拍照，作為現(xiàn)場描述。

6）失效件殘骸。為了后續(xù)的失效分析，應該得到失效件的殘骸。如果是一個較復雜的設備的破壞，許多零件都發(fā)生不同程度的實效，應采取殘骸拼湊分析法，根據(jù)裂紋走向、斷口隋況以及各零部件相互間碰撞劃傷的情況，判斷哪一部分是最先破斷的零件或部位，以確定分析的先后與主次[3]。

以上這些資料很重要，需要得到圖紙，說明書以及其他形式的書面的材料，并且應有現(xiàn)場的負責人員以及零件的設計人員進行確認。作為以后出失效分析結果，總結原因和追究責任時的證據(jù)。另外一定要注意的就是保護現(xiàn)場的一切證據(jù)，維持原狀。

2.3按零件制造情況和使用條件分析

根據(jù)從現(xiàn)場取回的資料，在具體制定試驗測試之前，從幾個方面分析失效產(chǎn)生的原因。（1）操作人員情況的分析 如工作態(tài)度不好、責任心不強、玩忽職守、主觀臆斷和違章作業(yè)等不安全行為以及缺乏經(jīng)驗、反應遲鈍和技術低劣等局限性[4]。（2）產(chǎn)品使用狀態(tài)下的環(huán)境。包括載荷大小變化、載荷方向變化、環(huán)境溫度、濕度、周圍塵埃、腐蝕介質(zhì)等。（3）設備情況分析。包括材料的選擇、結構設計、加工制造水平、安裝水平、運輸保護措施等。（4）管理情況。包括作業(yè)程序、維護保養(yǎng)措施、輔助工作、實用工具等。這一部分是與去現(xiàn)場之前的初步預測相承接的，根據(jù)所的資料確定出失效分析的外因。

2.4 制定失效分析方案

根據(jù)具體情況選擇合適的失效分析方法。比如殘骸試件試驗法，仿真模擬法，或者再現(xiàn)試驗，確認試驗等方法。 具體的失效分析內(nèi)容也應該進行制定。下面概括為殘骸分析，應力分析，失效模擬三個階段[50]。

1）殘骸分析

根據(jù)殘骸的軌跡、斷口的宏觀性質(zhì)、斷口的變形順序等首先尋找首先破壞件（肇事件），然后對首先破壞件的斷口性質(zhì)、裂紋走向、變形情況、痕跡來源、力學性能、顯微組織、工藝過程、熱處理狀態(tài)等進行單項和綜合的分析，對失效模式進行判斷[5]。

（1）宏觀形貌分析。通過對失效件形狀，尺寸以及破壞情況的觀察，確定失效類型：變形、斷裂、表面損傷。其中外觀診斷信息主要包括：表面粘附物;顏色變化異常;形狀變化異常;碰傷及劃痕[55]。要觀察端口表面形貌，包括裂紋源，裂紋擴展情況等。根據(jù)這些觀察分析破壞應力，總結破壞的條件。

宏觀分析技術采用的觀察方式是肉眼直接觀察或者用放大倍數(shù)50倍以下的放大鏡觀察。可借助器材：體視顯微鏡。磁粉檢驗或染色滲透檢驗也屬于宏觀分析技術。可以確定表面或表面以下1mm以內(nèi)的表層缺陷。

（2）使用狀況分析

根據(jù)使用狀況的環(huán)境介質(zhì)判斷腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)外力條件（包括異常外力）分析所受載荷狀況進行應力計算進而計算破壞應力，綜合兩方面的情況總結破壞的條件

（3）對材料分析。對原材料進行無損探傷檢驗，;進行金相檢驗（觀察進行組織或者異常組織）;成分分析，包括常規(guī)、局部、表面以及微區(qū)分析;X射線分析;力學性能檢測。通過這些檢測方法，確定材料的組織，成分，強度，硬度等。根據(jù)觀察異常組織和缺陷以及試驗結果計算出的破壞應力總結出破壞的條件。

對材料的分析與檢測的技術方法和器材有：金相顯微鏡觀測、掃描電子顯微鏡觀測、透射電子顯微鏡觀測、電子探針觀測、俄歇能譜儀分析、X射線分析、布氏硬度計，洛氏硬度計，維氏硬度，沖擊試驗機。

2） 應力分析

包括應力的來源、性質(zhì)和大小的估算，特別是對首先破壞件的結構和受力的分析和估算、工況和環(huán)境分析，并與斷口的定性和定量分析相對照，以及與仍在服役件的調(diào)查相結合進行綜合分析，對失效模式進行判斷[5]。

3）失效模擬

在實驗室或現(xiàn)場對主要的失效模式和主要的控制或影響參量進行模擬試驗，然后對模擬試驗失效的斷口與實際斷口進行對比分析 [5]。進行失效模擬時對于失效模擬實驗中的力學模型的設計、介質(zhì)環(huán)境條件的模擬、參數(shù)的加速試驗和數(shù)據(jù)的當量關系以及模擬斷口和實際斷口（或?qū)Ωg、磨損失效來說，模擬表面和實際表面）的對比分析技術和失效模擬實驗的有效性和可靠性分析等方面的問題要針對不同類型的失效模式進行認真和深入的研究，才能真正發(fā)揮失效模擬技術和方法在失效模式診斷中的作用。

2.5總結分析失效原因

根據(jù)試驗結果，結合試樣的原始情況進行深入分析失效的原因。按照失效件失效的直接關鍵因素處于投付使用過程中的哪個階段或工序，可以分為設計原因、制造原因、使用原因、環(huán)境原因、老化原因等。

（1）設計原因。可分為設計原則、設計思路和方案、結構形狀和受力計算、零件選材和尺寸，力學性能等。另外，根據(jù)金相組織的觀察和化學成分的檢測可以分辨出組織的差異引起失效，也可以看出各種夾雜物對材料的影響，對其強度、硬度的影響。

（2）制造原因。對材料的制造加工也會引起材料內(nèi)部組織性能的變化。機加工，鑄造，鍛造，熱處理，焊接，表面處理等工藝的處理不當都會引起失效，還有零件表面有殘余應力的時候需要進行噴完操作，噴完操作的不足也會引起失效。

（3）使用原因。零件工作的狀況，所受載荷，與其他零件的配合狀況。

（4）環(huán)境原因。零件工作的環(huán)境，包括，溫度，壓力，介質(zhì)，腐蝕狀況等。

（5）老化原因。材料在貯存和使用的過程中發(fā)生變脆，變軟或變硬，變粘等變化，材料失去其性能。

結合實驗之前根據(jù)現(xiàn)場取回的資料分析的失效原因，總結出全面的失效原因，分析出主要原因，和次要原因。將失效分析的重點放在主要原因上。主要原因可以分為外因和內(nèi)因。

2.6 再現(xiàn)試驗

已經(jīng)分析出零件所屬的狀況和引起失效的原因，但是確認結論之前應該進行再現(xiàn)試驗進行確認。仿照原始工況和環(huán)境載荷進行再現(xiàn)試驗，根據(jù)試驗結果分析本次失效分析的和理性和正確性，如果得到的結果和真實情況有背離，則需要仔細分析事物的環(huán)節(jié)，重新進行失效分析，直到再現(xiàn)試驗能夠得到相同或類似的結果。

2.7 狀況的檢討

再次到現(xiàn)場，結合初次在現(xiàn)場得到的證據(jù)，以及工作人員的證言，試驗的一系列數(shù)據(jù)分析，給出結論，即準確地失效原因。

2.8 明確責任提出對策

因為零件失效會涉及追究責任人，所以明確責任也是失效分析的后續(xù)環(huán)節(jié)，明確應該為失效故障負責的責任人，包括：原材料提供商，材料加工工廠（鍛造、鑄造、熱處理、機加工），設計部門，裝配部門，零件應用的部門等等，具體到部門后。還可以根據(jù)人員細化，具體的操作者，或者管理人員。

失效分析的目的不僅限于弄清失效原因，更重要的還在于研究提出有效的補救措施和預防措施。從大量同類和相似失效案例分析積累的豐富經(jīng)驗有利于這類措施的研究。補救措施和預防措施可能涉及設備的設計結構、制造技術、材料技術、運行技術、修補技術以及質(zhì)量管理的改進，乃至涉及技術規(guī)范、標準和法規(guī)的修訂建議。這類研究工作量往往很大，除個別簡單情況可由承擔失效分析的人員進行外，一般由失效分析人員提出問題或補救方案，由負責單位責成有關專業(yè)部門或單位進行專題研究，提出研究報告，作為改進設備的依據(jù)[6]。

2.9 完成失效分析報告

失效分析報告的完成通常要經(jīng)歷起草、評審、提出三個階段。若在一段時間內(nèi)出現(xiàn)大量的同種產(chǎn)品的失效事件，為便于之后的統(tǒng)計及分析，可擬制固定的失效分析報告格式。

2.10 反饋失效分析成果

反饋系統(tǒng)是失效分析成果的管理系統(tǒng)， 目的在于充分利用失效分析所獲得的寶貴技術信息、推動技術革新、促進科學進步和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

失效分析的反饋系統(tǒng)可采取多種組織形式， 例如可與企業(yè)的技術開發(fā)和情報部門結合， 可與國家的質(zhì)量管理部門、可靠性研究中心、數(shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)交換網(wǎng)相結合。把輸入的大量失效分析報告和來自數(shù)據(jù)交換網(wǎng)的其他信息， 經(jīng)過分類、 統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)處理， 制成各種形式的文獻， 例如快報、數(shù)據(jù)手冊、指導性文件、年鑒和書刊等， 傳遞到各個經(jīng)濟部門、生產(chǎn)部門、科研部門、教育部門和司法部門及新聞部門， 把失效造成的損失化為巨大的效益[6]。

3結語

通用的失效分析思路是根據(jù)各種失效分析方法綜合起來思考，總結出來的，考慮全面，環(huán)環(huán)相扣的失效分析方法。盡量考慮到各種機械零件失效的情況，綜合各種試驗方法和分析方法，總結出全面的，豐富的機械零件失效分析思路。這套失效分析思路可以為機械零件的失效分析提供參考。

參考文獻：

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