失效分析课件第1讲.ppt

第1讲失效分析基础 失效及失效分析概念失效分析的工作内容失效分析的历史 作用和任务 材料失效引起的损失 巨大 美国1982年统计 因零件时效每年造成的经济损失达3400亿美元 其中断裂失效造成的损失约为1190亿美元 1908年3月27日 北海石油钻探船AlexanderKielland号 由于连接五根柱子的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全颠覆 损失达几千万美元 1979年9月7日 我国某厂氯气车间的液氯瓶爆炸 导致59人死亡 799人中毒 1979年12月18日 我国某地煤气厂400m3球形液化气储罐爆炸 导致一系列事故 造成33人死亡 受伤53人 1972年10月 一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的公共汽车前轴突然断裂 致使客车从嫩江大桥坠入江中 造成28人死亡 损失 直接经济损失 间接经济损失 失效迫使企业停产或者减产造成的损失引起其他企业停产或者减产造成的损失影响企业的信誉和市场竞争力造成的损失 1 失效概念 产品丧失规定的功能 GB3187 失效 Failureofacomponentindicatesithasbecomecompletelyorpartiallyunusableorhasdeterioratedtothepointthatitisundependableorunsafefornormalsustainedservice 从经济上将企业进行生产所创造的 符合于原规定生产目的和用途的直接生产成果称为产品 以材料为载体赋予某些特定功能的物体 在制品 半成品或成品构件 元件 器件 设备或系统合格品 不合格品 返修品 修理品 产品在商品流通或者使用过程中原有功能从有到无 从合格到不合格的过程 短暂性 间断性 长久性部分的 全部的快速的 缓慢的可修 恢 复的 无法修复 在使用条件下符合国家有关法规 质量标准 技术文件要求 及合同对其适应性 安全性及其他性能的特殊要求 产品的功能和用途干什么用 干什么所必须的功用 产品质量的核心产品检验的工作内容产品失效的判断依据 鉴别 失效与故障 事故 失效与废品 2 失效的分类 按失效的发展过程 早期失效 在产品的使用初期 由于设计和制造上的缺陷而导致的失效 偶然失效 在产平使用过程中由于环境的偶然变化 人为的差错 操作和管理 造成少量失效 磨损失效 经过偶然失效期后 设备中的元件已到寿命终止期 这时常常表现为磨损失效 按失效发生的速度 突发性失效 渐进性失效 间歇性失效 按失效整体性 系统性失效 部分性失效 按失效可修复性 暂时性失效 永久性失效 按失效相关性 独立失效和从属失效 或关联失效和非关联失效 按失效造成的后果 部分 退化 失效 完全 恶性 失效 危险性 严重 失效 灾难性 致命 失效 3 失效过程及原因的特点 失效过程的特点 过程的不可逆性 任何失效过程都是不可逆的 不可再现的 不能完全模拟的 过程的有序性 任何失效一般经历或快或慢 或长或短的由起始状态 中间状态 完成状态的具有时序性的过程过程 过程的不稳定性 起始状态和完成状态之间的中间状态是不稳定 可变的 不连续的不确定的 过程的累计性 任何失效是一个累计损伤的过程 失效现场只是最后结果的呈现 失效原因程的特点 必然性 具有失效潜在隐患的产品 必然产生失效 只是时间问题 双重性 前一个环节的失效结果可能是后一个失效环节产生失效的原因 时序性 失效原因在先 失效结果在后 普遍性 一种失效结果是由一定失效原因造成的 4 失效分析内涵 分析和查明产品的失效原因 失效机理 判断失效模式 研究并提出预防再失效的对策等技术活动和管理活动 失效分析 失效机理是指失效的物理 化学变化本质 其微观过程可追溯到原子 分子尺度和结构的变化 他是对失效内在本质 必然性和规律性的研究 失效模式与其有必然的联系 更清楚地认识使用材料 提出更合理的技术规范 改进材料的选用和工艺技术 在失效系统中寻找并确认失效零件及其部位和失效过程 模式准确机理清楚原因明确措施得当模拟重现 失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程 可理解为失效的性质和类型 失效原因是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素 失效原因的查询和判断是建立在失效模式的确定和失效机理的分析基础上而得到科学结论 明确失效对象 确定失效模式 研究失效机理 找出失效原因 提出预防措施 广义地讲 失效分析的工作内容应包括失效分析的业务工作 即 门诊 工作 失效分析的研究工作和失效分析的管理及技术反馈工作 5 失效分析的历史发展 古代失效分析 原始工具的制造 使用 改进产生了很朴素的失效分析 近代失效分析 以蒸汽动力和大机器生产为代表的工业革命给人类带来巨大物质文明的同时 也不可避免地给人类带来前所未有的灾难 这就是机器失效导致众多事故的发生以及经济损失和人员伤亡 产品的失效分析失效分析学科雏形形成失效分析机构相继出现失效分析手段不断增多失效分析结论作为法律仲裁的依据失效分析工作成为提高产品质量的重要技术手段 现代失效分析 以高科技和集成技术为基础的现代工业是人类的生产技术上升到一个崭新的高度 也不可避免的带来了新的失效形式 以及造成失效过程的复杂性 连贯性事故产生造成的巨大灾难 系统的失效分析 可靠性评估失效分析学科日趋完善和新学科的出现失效分析机构日趋正规现代失效分析手段不断增多失效分析结论作为法律仲裁的依据失效分析工作成为提高产品更新换代的主要途径 6 失效分析的业务工作 失效分析的业务工作有两个方面 一方面是产品的失效分析 另一个方面是产品的安全度评定和剩余寿命的预测 前者是失效事后的分析 而后者是失效事前的分析 一个失效事件分析的全过程一般包括侦测 Detection 诊断 Diagnosis 和事后处理 Pronosis 三个阶段 即利用各种 侦测 手段 调查 侦查 测试和记录有关失效的现场 参数和信息 通过 诊断 鉴别和确定产品失效的模式 过程 原因 影响因素和机理 经过 事后处理 采取补救措施 对服役件 预防措施 对新生产的产品 和其它技术的 管理的反馈活动 以达到预防 提高和开发的目的 侦测 诊断和事后处理是失效分析业务工作的三要素 产品失效业务分析的重点无疑是分析产品的早期失效事件 突发性失效事件以及致命的失效事件 因为这些失效事件的分析事关重大或关系到全局 失效业务分析的深度应依其分析的目的和要求不同而异 作为法律依据的失效诊断主要的任务是判定失效的程度 后果和责任方面 作为整顿质量管理的线索和获得可靠性工程的数据 一般希望确定失效发生的阶段 对策及其它的工程属性 而为了确究和掌握机械产品失效的规律和它的内在本质 这种失效分析则必须着眼于失效模式 机理 影响因素和控制参量的定性乃至定量的研究 因此 失效分折工作者的任务是根据失效分析的不同目的和要求 作出确切而恰当的诊断及对策 按照产品的发展的阶段 试制阶段 试生产阶段和定型生产阶段 不同 其失效分折的方面和内容也各不相同 在试制阶段的产品 失效的原因常常与设计因索有关 因此在这一阶段的失效分析应特别强调与设计人员的密切配合 这样不仅有利于失效原因的正确诊断 而且有利于分析结果的迅速反馈 在试生产阶段的产品 其失效原因多半与工艺因素有关 因此在这一阶臣的失效分析应注意与工艺人员相结合 而在定型生产阶段的产品 其失效的原因一般则与管理因素有关 因此在这一阶段的失效分析应着重考查产品的质量控制网的健全性 严密性和散布度 并应将广大的用户和社会上的修理行业纳入到失效分拆体系中来 7 失效分析的研究工作 失效分析的研究工作主要是指失效物理的研究 失效机理的研究 失效诊断的研究和失效预防工程技术方面的研究等四个方面的工作 所谓失效物理 或称为可靠性物理 就是从原理上 即从原子和分子的角度出发 来解释元件 材料失效的现象 失效物理学的基础是数理统计方法 可靠性工程和材料科学工程学 失效物理的基本研究内容则是失效物理模型定性及定量的描述方法 失效物理模式的识别及其应用 基本的失效物理模型有 界限模型与耐久模型 应力 强度模型 反应论模型 失效率模型 最弱环模型与串联模型 绳子 模型 比例效应模型 退化模型或损伤累积模型等 失效物理不仅要对上述基础及模型有所涉及 而且还涉及到材料失效的热力学问题 由此可见 失效物理的内容十分丰富和重要 对失效物理的研究是失效理论的基础研究之一 失效机理是研究失效的物理 化学原因 失效过程及其影响因素等 如果认为失效物理的研究内容主要是失效模式 模型 及其应用的话 那么失效机理的研究则主要集中在失效的本质 物理 化学原因 和过程 失效机理和失效模式不同 以人的生病来打比喻 失效机理相当于病理 而失效模式则相当于病症 具体地说 失效机理主要研究各种失效方式 模式 的物理 化学本质和过程 研究应力 温度和环境等外部因素对失效过程的影响 研究材料成分 组织结构和性能等内部因索对失效过程的影响 失效机理的研究不仅要研究单一的失效机理 而且耍特别加强各种复合机理的研究 例如 高温疲劳机理 低周痘劳机理 应力腐蚀疲劳机理 腐蚀疲劳机理 疲劳磨损机理 蠕变疲劳交互作用机理 微振磨损机理 冲蚀磨损机理 烧蚀机理 电腐蚀机理 热蚀机理等等的研究 深入研究和了解复合的失效机理的基础上 才能进行正确的失效分析工作 反过来 大量地 深入地进行富有成效的实际的失效分析工作 又将更进一步加深对错综复杂的复合失效机理的认识 失效机理研究是基础 失效分析工作是实践 它们是促进整个失效分析工作以及失效理论向前发展的两个相辅相承的方面 失效诊断是分析失效原因的思维学和方法论 诊断研究一般应包括失效诊断依据的研究 失效诊断思路的研究和失效诊断技术与方法的研究等三个方面 失效诊断的依据可以是失效产品的性能参数与工况 可靠度的数理统计资料和失效零 部件的残骸上获得的信息或者是上述三种的综合判据 依据产品的性能参数与工况进行失效的诊断 和其工况分析及状态监测密切相关 因此它既是失效诊断技术又是失效的预防措施之一 依据产品的可靠度统计资料进行失效诊断 实质上就是进行产品的可靠度计算和评定 以及剩余寿命的估算工作 依据失效残骸分析进行失效诊断则是一般最常用的失效诊断方法 失效残骸诊断术是通过残骸的断口分析 裂纹分析 应力分析 材质分析 工艺分析 工作环境分析及它们的综合分析 对失效的原因作出正确的判断 并对其补救和预防措施作出决策 失效残骸诊断术是失效诊断研究工作中一个十分重要的课题 失效诊断思路的研究是侧重于研究失效诊断的逻辑思维或推理判断的方法和程序 它一般应该包括逻辑推理 判断 模糊数学的判别和计算机在失效诊断方面应用等 其中失效形式及影响分析法 FMEA 失效模式及影响危险度分析法 FMECA 失效树法 FTA 现象树法 ETA法 特性因素法等应用较多 失效诊断思路的研究的目的和任务就是要完善 发展和推广应用上述各种逻辑诊断思路 失效诊断技术的研究是指应该采用什么样的仪器设备和技术方法 例如 为了进行失效残骸分析 可以用许多种物理 化学的测试方法 无损探伤法 金相分析法 断口分析法 化学成分分析法 机械性能测试等 在各类分析方法中又可分若于种具体方法 失效诊断技术的研究就要在了解各类 各种方法的基本原理 优缺点和应用范围的基础上 指导失效分折工作者选用正确的方法 获得必要而充分的信息和资料 数据 作为失效诊断的有力依据 可见 失效诊断技术的研究不应把注意力放在各种方法的理论或仪器的具体构造细节上去 而应注重各种方法的优缺点 应用范围以及用于同一目的 不同方法之间横向比较和正确选用上 7 失效分析的研究工作 续 失效预防的研究工作是为了探讨失效的补救措施 预防方法和管理途径 失效分析成果的反馈和失效预防 以防止同类失效事故的重复发生是失效分析的重要目的之一 失效预防的研究工作范围很广 它应包括机械系统或设备的性能参数的分析和诊断技术 工况的监测方法 技术 装置和系统的开发和采用 产品的安全度评定和剩余寿命的估算 失效预防工程方法 包括表面损伤的预防方法 断裂失效临界状态的评定和预测方法 失效评定图 断裂控制团 变形机制图 蠕变机制图和疲劳机制图等 的研究开发和应用推广 机械产品失效维修的原则 原理 技术 方法及其应用方面的研究等 可以看出失效预防方法的研究工作是艰巨的 十分重要的和大有可为的 失效分析的管理和技术反馈包括全国性 部门性 地区性的失效分析和管理机构的建立 失效分析的技术指导性文件 规程和标准的颁布和实行 失效事件的分析工作的组织和管理 失效研究工作的组织和开展 失效可靠数据库和技术反馈系统的建立和运转 各级失效分析人员的培训和业务提高等 值得指出的是 从失效分析的定义中就已经把 管理活动 当作失效分析不可缺少的内容和环节之一 从以上的讨论中可进一步地看出 失效分析的管理和技术反馈内容和范围十分广泛和重要 因此 应给予足够重视 6 失效分析的研究工作 续 7 失效分析与其他学科 技术之间的关系 失效学是一门综合的学问 它与多种科学与技术有关 并研究促进了众多科技的发展 例如 基础科学与失效学相结合 形成不少边缘科学 失效学与物理学交叉诞生了失效物理学 与力学的交叉形成了失效力学和损伤力学 与数学相结合 促成了可靠性数学的问世 失效学有又与许多应用科学技术有密切相关 如 机械 是失效分析的对象 因此失效分析与机械学的专门知识有关 材料 是失效的裁体 这样失效分析就自然地涉及材料科学和工程领域的各种知识 环境 是失效发生的条件 所以失效分析就与环境科学知识有关 检测技术 是失效分析中信息的获取的重要途径和手段 显然失效分析就离不开宏观和微观的检测有关的知识 分析 是失效分析的核心 因此失效分析必格涉及逻辑学和数理统计有关的专门知识 此外 失效分析不仅是一种 技术活动 而且还是一种 管理活动 因此 失效分析过程和它的成果反馈 又与管理科学的专门知识有关 失效学是在其他科学技术基础上 在70年代形成和发展起来的新的应用性学科 它的发展又对其他科技有反馈促进作用 可以这样说 近代材料科学和工程力学对断裂 腐蚀 磨损及其复合型的失效模式和失效机理研究为失效学奠定了理论基础 现代的检测仪器仪表学 断口分析点为失效学奠定了技术基础 数理统计 模糊数学 可靠性工程和计算机科学的广泛应用为失效学提供了新的方法途径 以上三个方面的融合贯通 使失效学逐渐形成相对独立的 十分活跃的学科 9 失效分析的地位和作用 失效分析是全面质量管理中必不可少的重要环节任何一次失效事件 都可以看成是在服役条件下所进行的一次最真实 最可靠的的科学实验 通过失效分析 可以通过失效模式的判断 找出失效的原因和影响因素 找到薄弱环节所在 为改进相关部门的工作 提高产品质量提供可靠地根据 失效分析是检验 评定产品质量和安全性的主要手段 失效分析是可靠性工程的技术基础之一可靠性工程是从宏观统计入手得到产品可靠性的各种参数及宏观规律 从开发设计阶段防止潜在的缺陷出现 用来处理产品故障和预测产品寿命 可靠性分析的前提之一是确认导致产品失效的各个环节 分析失效的类型 失效的模式和机理 失效分析的结果和信息是可靠性分析必不可少的基础信息 可靠性工程要求把失效分析提到中心环节 强调 3F 是可靠性工作的基础 即FRACAS 失效报告 分析及纠错系统 FTA 故障树分析 FMEA 失效模式 影响因素及分析 9 失效分析的地位和作用 续 失效分析是安全工程的重要技术保证之一安全工程是以事故为研究对象 包括安全分析 安全评价和安全保障 许多安全事故是由于失效引起的 失效分析可以找出薄弱环节 查明不安全因素 发现事故发生的隐患 预测有实效引起的危险 提供优化的安全措施 失效分析是维护维修工程的理论基础和指导依据产品的维护主要是预防失效 保证产品应有的功能 产品的维修主要是排除失效 恢复产品的规定功能 产品的维护维修工作内容和要求通常主要来此对产品失效分析 包括维护规程 修理技术等 失效分析可以产生巨大的经济效益和社会效益避免同类失效和相关事故的再次发生 推动科技进步的强大动力 失效分析是产品质量监督 保障消费者权益及法律仲裁和裁决的主要依据 10 失效分析的注意事项 深入进行调查研究既是失效分析的第一个步骤 且贯彻失效分析各个环节和整个失效分析工作的始终 调查研究要亲到现场 深入进行 决不要漏掉蛛丝马进 调查研究要有提纲 口问手记 随时分析整理 调查研究是失效分析的重要原则和基础 认真制定失效分析程序 避免盲目性和片面性失效分析程序是整个失效分折工作 纲领性 文件 它是整个失