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1、第 2 章 失效分析的思路和程序 2.1 失效分析思路与方法 失效分析思路是以构件失效的规律为理论依据，把通过调查、观察、检测和实验所获得的失效信息分别加以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体进行综合分析。掌握并运用正确的分析思路，才可能对失效事件有本质的认识，减少失效分析工作中的盲目性、片面性和主观随意性，大大提高工作的效率和质量。因此，失效分析思路不仅是失效分析的重要组成部分，而且是失效分析的灵魂。一、失效过程的特点（1）不可逆性 任何一个构件失效过程都是不可逆过程，因此，构件的具体失效过程是无法完全再现的，任何模拟再现试验都不可能完全代替构件的实际失效过程。（2）有序性 构件失效的任一
2、失效类型，客观上都有一个或长或短、或快或慢的发展过程，一般要经过起始状态、中间状态、完成状态三个阶段。（3）不稳定性 除了起始状态和完成状态这两个状态比较稳定之外，中间状态往往是不稳定的，可变的，甚至不连续的，不确定的因素较多。（4）积累性 任何构件失效，对该构件所用的材料而言是一个累积损伤过程，当总的损伤量达到某一临界损伤量时，失效便随之暴露。二、失效原因的特点（1）必要性 不论何种构件失效的累积损伤过程，都不是自发的过程，都是有条件的即有原因的。（2）多样性和相关性 构件失效过程常常是由多个相关环节发展演变而成的，瞬时造成的失效后果往往是多环节事件(原因)而酿成的。（3）可变性 有的原因可
3、能在失效全过程中发挥作用，有的原因则只在失效过程的某一进程发生作用，可能随机性的出现或不连续性的存在。三、失效分析的基本原则 1.整体观念原则 设备失效要考虑的对象不仅仅是设备，要把设备环境人当作一个系统来考虑。（1）失效构件与邻近非失效构件之间的关系（2）失效构件与周围环境的关系（3）失效构件与操作人的各种关系 大胆设想设备能出哪些问题，可能与环境发生哪些问题，人为因素能造成哪些问题，逐个列出失效因素，对照调查、检测、试验，再逐个排除，特别是大型构件更要如此。（P65 例子）2.1 失效分析思路与方法 2.从现象到本质的原则 失效的表现是现象，原因才是本质 许多失效表现出一定的现象，如一个断
4、口出现贝壳花样；又知道其承受交变载荷，就可认定失效类型是疲劳，但还要进一步弄清为什么会发生疲劳失效，找出原因才是本质。3.动态性原则 位置 机械产品对周围的 环境 相对运动变化之中 条件 构件失效是动态发展的结果。即便是存放在仓库的新产品也要认为在动态中，内部受力条件会变化，外部温度、介质会变化，产品本身的某些因素也会变化（比如某元素随时间发生偏聚、亚稳组织发生转变等）。在失效分析时，应将这些变化条件考虑进去。（P66 例子）4.两分法原则(一分为二）好 的 方 面 任何事物、事件 一分为二 不好的方面 失效分析中对任何事物、事件都要一分为二，名牌、进口产品也会失效，也会出现设计不当、材料问题
5、、加工问题等。5.立体性原则（纵横交错原则）客观事物在不同的时空范围内是变化的 a.对同一设备在不同的服役阶段或不同的环境就会具有不同的性质。b.同一工况条件构件的不同部位也会产生不同的失效模式。失效分析要多方位综合考虑问题。6.比较方法、历史方法、逻辑方法 与已失效系统进行比较，依赖过去失效资料积累分析，分析比较综合归纳作出判断和推类。四、几种常用的逻辑推理方法 (1)归纳推理 (2)演绎推理 (3)类比推理 (4)选择性推理 (5)假设性推理 注意：推理的前提必须有客观事实性；推理是逻辑手段，推论只能为失效分析提供参考、线索与方向，不能作为证据。五、相关性分析的思路与方法 用于具体的零部件
6、或者不太复杂的设备系统的失效分析，是从失效现象寻找失效原因或“顺藤摸瓜”的分析思路。1、按失效零件制造全过程和使用条件进行分析（1）审查设计 包括对使用条件估计不足，标准选用不当，设计判据不准，结构不合理（如高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或倒角半径过小等）及技术要求过低（如表面加工质量要求过低）等。（2）材料分析 选用不当 热处理不合理 成分不合格 材料 夹杂物超标 导致失效产生 组织不合要求 材料各向异性 冶金缺陷 （3）加工制造缺陷 铸造缺陷 锻造缺陷 焊接缺陷 缺陷 冷加工缺陷 导致失效产生 碰伤表面缺陷 腐蚀表面缺陷 装配不当缺陷 （4）使用和维护情况分析 超载 超温 超速 问题
7、频繁启动停车 导致失效产生 润滑问题 冷却问题 保养问题 2、根据产品的失效形式进行分析(常用）根据产品的具体失效表现形式 确定失效模式 进一步分析导致失效的内因和外因 找出失效原因（重点）3、“四 M”分析思路及方法（人、设备、环境、管理，复杂系统）(1)Man 操作人员的情况分析 工作态度 责任心大小 玩忽职守 人 主观臆断 造成失效 违章操作 缺乏经验 反映迟钝 技术低能(2）Media 环境 产品使用状态下的环境情况分析 载荷状态变化 载荷大小变化 载荷方向变化 环境 周围温度 导致失效 周围湿度 周围尘埃 腐蚀介质 （3）Machine 设备情况分析 结构设计 分析材料的选择 设备
8、加工制造水平 造成失效 安装水平 运输保护措施 (4）Management 管理情况分析 作业程序 保护措施 管理 辅助工作 造成失效 使用工具 维护保养 四 M 分析法又称撒大网式的逐个因素分析法，思路宽，不易丢失可能的因素，但工作量大，主要用于大型的重大事故分析。六、系统工程的分析思路及方法 系统工程：将设备或系统和人当作一个统一体，运用数学方法和计算机将失效原因-结果之间的逻辑关系连接起来。1、故障树分析法 用树状图对系统进行演绎分析，从所定义的“不希望事件”开始，在给定的边界条件下，按系统失效的规律，分析系统的硬件故障、人为差错、环境影响等。工作程序：a）确定不希望发生的事件（上端事件
9、）b）对设备的设计、制造、维护、使用等技术资料进行分析 c）合成故障树 d）求出上端事件发生的必要充分条件 e）收集计算时必要的故障率数据 f）计算上端事件发生的概率 g）对基本事件的重要性作出评价 h）分析计算结果，提出改进措施 2、特征因素法 将产品或系统的失效作为结果（特征），以导致产品或系统失效的诸因素作为原因（因素），绘出图形，通过图形分析，从多而复杂的失效因素中找出失效的主要原因。2.2 失效分析的程序与步骤 失效分析是一项复杂的技术工作，不仅要求失效分析工作人员具备多方面的专业知识，而且要求多方面的工程技术人员、操作者及有关的科学工作者相互配合，才能圆满地解决问题。如果在分析以前
10、没有设计出一个科学的分析程序和实施步骤，往往就会出现工作忙乱、漏取数据、工作缓慢、走弯路，甚至把分析步骤搞颠倒，使某些关键的信息被另一提前的步骤所毁掉。因此制定一个科学的分析程序，是保证失效分析工作顺利而有效进行的前提条件。1、接受任务，明确目的和要求 不管失效分析是何种目的，失效分析的宗旨都是找出失效的原因，避免同样的失效事件再发生。对于不同的目的和要求，失效分析的深度和广度将会有所差别。2、现场调查（1）保护现场（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口（4）询问目击者及其他有关人员能提供的有关情况（5）写出现场调查报告 记录现场信息的方法包括摄影
11、、录像、笔记、画草图等。3、收集背景材料（1）设备的自然情况：设备名称、出厂及使用日期、设计参数、功能要求等。（2）设备的运行记录：载荷及其波动、温度变化、腐蚀介质（3）设备的维修历史情况（4）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用维护说明书（5）材料选择及其依据（6）设备主要零部件的生产流程（7）设备服役前的经历：装配、包装、运输、储存、安装、调试等。（8）质量检验报告及有关的规范和标准 实用性、时效性、客观性，尽可能丰富和完整!4、技术参量复验（1）材料的化学成分（2）材料的金相组织及硬度（3）常规力学性能（4）主要零部件的几何参量及装配间隙 5、深入分析研究（1）失效产品的直观检查（变形
12、，损伤情况，裂纹扩展情况，断口宏观特征）（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）（3）无损探伤检查缺陷情况（涡流、着色、磁粉、同位素、X 射线、超声波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）（6）相结构分析（X 射线衍射法）（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核 6、综合分析归纳，推理判断提出初步结论 根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。7、重现性试验或证明试验 重大事件 8、撰写失效分析
13、报告 失效分析报告与科学研究报告相比，除了条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。失效分析侧重于失效情况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。机械产品的失效分析报告通常应包括以下内容：（1）概述 首先介绍失效事件的自然情况；受何部门或单位的委托；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。（2）失效事件的调查结果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况；当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法；失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。（3）分析结果 为了寻找失效原因，采
14、用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。（4）问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。（5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实可行。写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。案例分析 某天然气管线压气站法兰开裂失效分析 1 背景资料 2005 年 10 月，中油六建在安装紧固某压气站 2 号压气机出口短节法兰螺栓时，法兰开裂。该法兰生产厂家为
15、上海某高压管件厂，按 JB4726-2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件规定的级进行制造、检验和验收，法兰材质为 16Mn。2 断口宏观形貌分析 法兰裂纹距焊缝约 50mm，裂纹长约 2150mm，大约占法兰周长的三分之二。裂纹一端扩展到焊缝熔合线上约 80mm 长，另一端仍距焊缝约 50mm。图 2 法兰裂纹打开后的断口形貌 断口没有塑性变形现象，断口表面呈结晶状形貌，是典型的脆性断口。裂纹未穿透壁厚，大部分剩余壁厚 35mm，裂纹两端剩余壁厚较多。说明裂纹起始于外壁，然后沿壁厚向内壁扩展。图 5 法兰裂纹焊缝熔合线部位断口形貌 在断口上的焊趾部位有条带状黑褐色区域，说明该部分断口形成时间
16、早于螺栓紧固时法兰开裂时间，估计该处是焊趾裂纹。由于焊缝裂纹处剩余壁厚较多且处于裂纹末端，所以此处不是法兰开裂源。3 化学成分分析 Baird Spectrovac2000 光谱仪、LECO CS-444 红外碳硫分析仪 4 无损探伤 超声及磁粉方法检测法兰，除原来已经存在的裂纹外，没有发现其它缺陷。5 力学性能试验 取样 第 1 取样位置 法兰厚度最厚处距外边缘 20mm 以内沿切向取一个拉伸试样、一个硬度试样和三个冲击试样 拉伸试样为圆棒试样，试样直径 10mm、标距长度 50mm 冲击试样为全尺寸夏比 V 型缺口试样 5 力学性能试验 取样 第 2 取样位置 一个拉伸试样、一个硬度试样和
17、三个冲击试样进行试验 拉伸试样为圆棒试样，试样直径 10mm、标距长度 50mm，冲击试样为全尺寸夏比 V 型缺口试样 法兰材料力学性能结果（第 2 取样位置）6 断口微观形貌电镜分析 图 7 法兰断口检验取样位置 6 断口微观形貌电镜分析 法兰母材裂纹端部、中部断口微观形貌：解理+少量沿晶 脆性断口 图 8 法兰母材断口微观形貌 法兰焊趾断口微观形貌：晶间断裂形貌 图 9 法兰焊趾断口（黑褐色条带区域）微观形貌 焊缝 裂纹 金 相电镜 1 金 相电镜 2 电镜 3 金 相 图 10 法兰焊趾断口（黑褐色条带区域）x 射线能谱分析 断口面上有铁的氧化物，说明该裂纹形成时间较早 7 金相分析 法
18、兰母材金属显微组织形貌 焊缝法兰侧热影响区金属显微组织形貌 （晶粒比较粗大，4.5 级）（有板条马氏体）图 11 金相组织 母材为珠光体加铁素体组织，晶粒度为 4.5 级。晶粒比较粗大，说明法兰在加工制造时过热；焊缝热影响区内有马氏体组织，显微硬度为 HV400；取低倍组织检验试块，经过酸蚀检验没有发现明显的枝晶组织，没有发现缺陷，说明该法兰经锻造制成。8 结论 该法兰材料强度符合 JB4726-2000 规定，但材料冲击功不符合JB4726-2000 规定。该法兰断裂性质为脆性断裂，裂纹起始于法兰母材外表面。材料冲击功很低，不到规定值的 30%，这是法兰脆性开裂的原因。法兰母材晶粒度为 4.5 级，晶粒粗大，说明法兰在加工制造时过热（锻造温度不合适），这是法兰母材冲击功很低的原因。在法兰焊缝侧焊趾处发现裂纹，焊缝热影响区存在马氏体组织，其显微硬度达到 HV400，这是产生焊趾裂纹的重要原因。该法兰碳含量不符合 JB4726-2000 要求，超过规定值的上限，其它合金元素如 Mn 处于规定值的上限。碳当量：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.525 法兰碳当量偏高，是焊缝热影响区出现马氏体组织的重要原因 9 建议 对购买材料进行成分和组织检测，严格控制其成分和质量。制定合理的锻造工艺，降低锻造温度，防止过热。