機(jī)械零件失效分析技術(shù)路線

翟鳳 張鵬 趙舉

摘 要：基于當(dāng)前常見的失效分析思路往往在某些方面存在缺陷，本文對(duì)失效分析過程進(jìn)行全面的總結(jié)和歸納，形成一個(gè)完整的全面的，能夠在失效分析領(lǐng)域通用的失效分析思路。1失效原因初步預(yù)測(cè)，2初去現(xiàn)場(chǎng)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(jié)分析失效原因，6再現(xiàn)試驗(yàn)，7 狀況的檢討，8.明確責(zé)任提出對(duì)策，9.完成失效分析報(bào)告，10反饋失效分析成果。

0引言

機(jī)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(jī)理）為理論依據(jù)，通過調(diào)查、觀察、試驗(yàn)獲得產(chǎn)品失效信息（失效現(xiàn)象、失效對(duì)象、失效環(huán)境）分別加以考察，然后有機(jī)結(jié)合起來作為整體考慮以獲取的客觀事實(shí)為證據(jù)，全面應(yīng)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(gè)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(shí)現(xiàn)很好的應(yīng)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(duì)失效分析過程進(jìn)行全面的總結(jié)和歸納，形成一個(gè)完整的全面的，能夠在失效分析領(lǐng)域通用的失效分析思路。

2總結(jié)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(jìn)行介紹。

2.1失效原因初步預(yù)測(cè)

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(jī)械設(shè)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(jìn)行第一次預(yù)測(cè)，找出最具可能性的一種或幾種失效原因。

2.2初去現(xiàn)場(chǎng)收集資料

第一次去事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)需要收集以下幾方面的資料：

1）設(shè)計(jì)資料。包括零件名稱，功能，設(shè)計(jì)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(yīng)選用的原材料，材料等級(jí)，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(jī)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(chǎng)情況。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和失效件進(jìn)行拍照，作為現(xiàn)場(chǎng)描述。

6）失效件殘骸。為了后續(xù)的失效分析，應(yīng)該得到失效件的殘骸。如果是一個(gè)較復(fù)雜的設(shè)備的破壞，許多零件都發(fā)生不同程度的實(shí)效，應(yīng)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(yīng)有現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)責(zé)人員以及零件的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行確認(rèn)。作為以后出失效分析結(jié)果，總結(jié)原因和追究責(zé)任時(shí)的證據(jù)。另外一定要注意的就是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)取回的資料，在具體制定試驗(yàn)測(cè)試之前，從幾個(gè)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(zé)任心不強(qiáng)、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(yàn)、反應(yīng)遲鈍和技術(shù)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(shè)備情況分析。包括材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造水平、安裝水平、運(yùn)輸保護(hù)措施等。（4）管理情況。包括作業(yè)程序、維護(hù)保養(yǎng)措施、輔助工作、實(shí)用工具等。這一部分是與去現(xiàn)場(chǎng)之前的初步預(yù)測(cè)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(yàn)法，仿真模擬法，或者再現(xiàn)試驗(yàn)，確認(rèn)試驗(yàn)等方法。 具體的失效分析內(nèi)容也應(yīng)該進(jìn)行制定。下面概括為殘骸分析，應(yīng)力分析，失效模擬三個(gè)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(duì)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(xué)性能、顯微組織、工藝過程、熱處理狀態(tài)等進(jìn)行單項(xiàng)和綜合的分析，對(duì)失效模式進(jìn)行判斷[5]。

（1）宏觀形貌分析。通過對(duì)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(kuò)展情況等。根據(jù)這些觀察分析破壞應(yīng)力，總結(jié)破壞的條件。

宏觀分析技術(shù)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(yàn)或染色滲透檢驗(yàn)也屬于宏觀分析技術(shù)。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(jìn)行應(yīng)力計(jì)算進(jìn)而計(jì)算破壞應(yīng)力，綜合兩方面的情況總結(jié)破壞的條件

（3）對(duì)材料分析。對(duì)原材料進(jìn)行無損探傷檢驗(yàn)，;進(jìn)行金相檢驗(yàn)（觀察進(jìn)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(xué)性能檢測(cè)。通過這些檢測(cè)方法，確定材料的組織，成分，強(qiáng)度，硬度等。根據(jù)觀察異常組織和缺陷以及試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的破壞應(yīng)力總結(jié)出破壞的條件。

對(duì)材料的分析與檢測(cè)的技術(shù)方法和器材有：金相顯微鏡觀測(cè)、掃描電子顯微鏡觀測(cè)、透射電子顯微鏡觀測(cè)、電子探針觀測(cè)、俄歇能譜儀分析、X射線分析、布氏硬度計(jì)，洛氏硬度計(jì)，維氏硬度，沖擊試驗(yàn)機(jī)。

2） 應(yīng)力分析

包括應(yīng)力的來源、性質(zhì)和大小的估算，特別是對(duì)首先破壞件的結(jié)構(gòu)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(duì)照，以及與仍在服役件的調(diào)查相結(jié)合進(jìn)行綜合分析，對(duì)失效模式進(jìn)行判斷[5]。

3）失效模擬

在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)對(duì)主要的失效模式和主要的控制或影響參量進(jìn)行模擬試驗(yàn)，然后對(duì)模擬試驗(yàn)失效的斷口與實(shí)際斷口進(jìn)行對(duì)比分析 [5]。進(jìn)行失效模擬時(shí)對(duì)于失效模擬實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)模型的設(shè)計(jì)、介質(zhì)環(huán)境條件的模擬、參數(shù)的加速試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的當(dāng)量關(guān)系以及模擬斷口和實(shí)際斷口（或?qū)Ωg、磨損失效來說，模擬表面和實(shí)際表面）的對(duì)比分析技術(shù)和失效模擬實(shí)驗(yàn)的有效性和可靠性分析等方面的問題要針對(duì)不同類型的失效模式進(jìn)行認(rèn)真和深入的研究，才能真正發(fā)揮失效模擬技術(shù)和方法在失效模式診斷中的作用。

2.5總結(jié)分析失效原因

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合試樣的原始情況進(jìn)行深入分析失效的原因。按照失效件失效的直接關(guān)鍵因素處于投付使用過程中的哪個(gè)階段或工序，可以分為設(shè)計(jì)原因、制造原因、使用原因、環(huán)境原因、老化原因等。

（1）設(shè)計(jì)原因。可分為設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)思路和方案、結(jié)構(gòu)形狀和受力計(jì)算、零件選材和尺寸，力學(xué)性能等。另外，根據(jù)金相組織的觀察和化學(xué)成分的檢測(cè)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(duì)材料的影響，對(duì)其強(qiáng)度、硬度的影響。

（2）制造原因。對(duì)材料的制造加工也會(huì)引起材料內(nèi)部組織性能的變化。機(jī)加工，鑄造，鍛造，熱處理，焊接，表面處理等工藝的處理不當(dāng)都會(huì)引起失效，還有零件表面有殘余應(yīng)力的時(shí)候需要進(jìn)行噴完操作，噴完操作的不足也會(huì)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(jié)合實(shí)驗(yàn)之前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取回的資料分析的失效原因，總結(jié)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(diǎn)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(yàn)

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(rèn)結(jié)論之前應(yīng)該進(jìn)行再現(xiàn)試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。仿照原始工況和環(huán)境載荷進(jìn)行再現(xiàn)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析本次失效分析的和理性和正確性，如果得到的結(jié)果和真實(shí)情況有背離，則需要仔細(xì)分析事物的環(huán)節(jié)，重新進(jìn)行失效分析，直到再現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)軌虻玫较嗤蝾愃频慕Y(jié)果。

2.7 狀況的檢討

再次到現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合初次在現(xiàn)場(chǎng)得到的證據(jù)，以及工作人員的證言，試驗(yàn)的一系列數(shù)據(jù)分析，給出結(jié)論，即準(zhǔn)確地失效原因。

2.8 明確責(zé)任提出對(duì)策

因?yàn)榱慵?huì)涉及追究責(zé)任人，所以明確責(zé)任也是失效分析的后續(xù)環(huán)節(jié)，明確應(yīng)該為失效故障負(fù)責(zé)的責(zé)任人，包括：原材料提供商，材料加工工廠（鍛造、鑄造、熱處理、機(jī)加工），設(shè)計(jì)部門，裝配部門，零件應(yīng)用的部門等等，具體到部門后。還可以根據(jù)人員細(xì)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(bǔ)救措施和預(yù)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(yàn)有利于這類措施的研究。補(bǔ)救措施和預(yù)防措施可能涉及設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)、材料技術(shù)、運(yùn)行技術(shù)、修補(bǔ)技術(shù)以及質(zhì)量管理的改進(jìn)，乃至涉及技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的修訂建議。這類研究工作量往往很大，除個(gè)別簡(jiǎn)單情況可由承擔(dān)失效分析的人員進(jìn)行外，一般由失效分析人員提出問題或補(bǔ)救方案，由負(fù)責(zé)單位責(zé)成有關(guān)專業(yè)部門或單位進(jìn)行專題研究，提出研究報(bào)告，作為改進(jìn)設(shè)備的依據(jù)[6]。

2.9 完成失效分析報(bào)告

失效分析報(bào)告的完成通常要經(jīng)歷起草、評(píng)審、提出三個(gè)階段。若在一段時(shí)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(jì)及分析，可擬制固定的失效分析報(bào)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(shù)信息、推動(dòng)技術(shù)革新、促進(jìn)科學(xué)進(jìn)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(shù)開發(fā)和情報(bào)部門結(jié)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(jié)合。把輸入的大量失效分析報(bào)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(jì)分析、數(shù)據(jù)處理， 制成各種形式的文獻(xiàn)， 例如快報(bào)、數(shù)據(jù)手冊(cè)、指導(dǎo)性文件、年鑒和書刊等， 傳遞到各個(gè)經(jīng)濟(jì)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(jié)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(jié)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(jī)械零件失效的情況，綜合各種試驗(yàn)方法和分析方法，總結(jié)出全面的，豐富的機(jī)械零件失效分析思路。這套失效分析思路可以為機(jī)械零件的失效分析提供參考。

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