张峥-失效与失效分析培训

1、北航 1 失效分析程序和思路 北京航空航天大学 材料科学与工程学院 张峥 北航 2 失效的概念 GB3187-82中定义，产品丧失规定的功能。 对可修复产品通常也称故障。 结构、零件或机器的形状、尺寸或材料性 能发生改变，不能满意地执行预期的功能。 机械失效主要包括变形、断裂、腐蚀、磨 损。 突发性、渐进性和间歇性。 北航 3 失败失败 成功成功 知识的探索和创新知识的探索和创新 失效是成功之母 人类的进化和发展人类的进化和发展 科技的进步和提高科技的进步和提高 失效分析预测预防失效分析预测预防 技术进步过程中会出现失效 北航 4 失 效 率 使用时间 早期失效区随机失效区耗损失效区 机械产品

2、失效率与人得病概率一致 北航 5 失效是不可避免的， 失效不一定是坏事 美国国家运输安全委员会(NTSB) 认为, 人的认识有局 限性, 随着时间的推移, 科技水平的提高, 人们认识事物 本质的水平也在不断提高。人们对事物的认识是不断 深化、逐步逼近事物本来面目的无限循环过程。 失效的认识论上的原因是人的主观认识与客观事物的 本质相脱离的结果。因为人的认识是相对真理，而客 观事物的本质是绝对真理，人的认识过程是人认识的 相对真理不断逼近客观事物本质的绝对真理的过程， 因此人的认识总是相对的，而客观事物是绝对的，失 效是不可避免的，是人类认识客观真理过程中永恒的 主题。 北航 6 汽车零件失效的

3、几种形式 一、磨损 零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的 现象称为磨损，它包括物理的、化学的、机械的、 冶金的综合作用。对于一个表面的磨损，可能是由 于单独的磨损机理造成的，也可能是由于综合的磨 损机理造成的。磨损的发生将造成零件形状、尺寸 及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低。 二、腐蚀 金属零件的腐蚀是指表面与周围介质起化学或电化 学作用而发生的表面破坏现象。腐蚀损伤总是从金 属表面开始 ，然后或快或慢地往里深入，并使表面 的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点等 破坏区域。腐蚀的结果使金属表面产生新物质，时 间长久将导致零件被破坏。 北航 7 汽车零件失效的几种形式 三

4、、断裂 断裂是零件在机械力、热、腐蚀等单独或联合作用 下，发生局部开裂或分成几部分的现象。断裂是零 件破坏的重要原因，它是金属材料在不同情况下， 当局部裂纹发展到零件裂缝尺寸时，剩余截面所承 受的外载荷超过其强度极限而导致的完全断裂。断 裂是零件使用过程中的一种最危险的破坏形式。断 裂往往会造成重大事故，产生严重后果。 北航 8 汽车零件失效的几种形式 四、变形 多年的维修实践证实，虽然将磨损的零件进行修复 ，恢复了原来的尺寸、形状和配合性质，但装配后 仍达不到预期的效果。出现这种情况，通常是由于 零件变形，特别是基础零件变形，使零部件之间的 相互位置精度遭到破坏，影响了各组成零件之间的 相互

5、关系。在高科技迅速发展的今天，变形问题将 越来越突出，它已成为维修质量低、大修周期短的 一个重要原因。 北航 9 失效分析的概念 判断失效模式、查找失效的原因和 机理，提出防止类似事故再次发生的技 术活动和管理活动。 北航 失效分析的概念 失效分析是一个十分复杂的过程， 特别是一个大系统的失效，一般工作条 件复杂、可疑点较多、难度也大，对失 效人员的要求是知识面要广，并具有一 定深度，以及丰富的实践经验。 是一门综合性的技术学科，涉及材 料学、力学、摩擦学、腐蚀学和机械制 造工艺。 北航 11 失效分析的概念 氢脆、应力腐蚀、回火脆、过热过烧、蠕变氢脆、应力腐蚀、回火脆、过热过烧、蠕变 北航

6、12 失效分析的作用 飞机材料由于缺陷在不同阶段 所造成损失的例子： 草图阶段损失为1 生产阶段再发现损失为10 终检阶段损失为100 出厂使用后损失为1000 带入产品改型损失为10000 因缺陷失事损失达10万至100万 北航 13 失效分析的作用 1、失效分析可以减少和 预防机械产品同类失效 现象重复发生，从而减 少经济损失和提高机械 产品质量 北航 14 失效分析的作用 2、失效是产品质量控制网发生偏差的 反映，失效分析是可靠性工程的重要基 础技术工作，是机械产品全面质量管理 中重要组成部分和关键技术环节。 北航 15 失效分析的作用 3、失效分析可为裁 决事故责任、侦破 犯罪案件、开

7、展技 术保险业务、修改 和制订产品质量标 准方面提供可靠科 学技术依据 北航 16 失效分析的作用 4、失效分析可为技术开发、技术改造、 技术进步提供信息、方向、途径和方法 5、失效分析可为各 级领导进行宏观经济 和技术决策提供重要 的科学的信息来源。 北航 17 现行预计的设计可能 产生的失效模式 分析分析 对顾客的影响 哪些原因可能 造成这个失效模式 每个原因造成这个 失效模式的的可能性 采取可行的对策 北航 18 服役周期失效 延寿服役 断裂失效机理及重大事故 失效分析 材料腐蚀与老化失效 检测技术应用研究 安全评估技术 寿命预测技术 修复技术 北航 19 失效的发生有多方面的原因，其中

8、包括 管理、制造和操作等。 例如，19771986年间空军严重飞行事 故统计结果 事故 原因 操纵制造维护翻修指挥不明 比例 （%） 56.112.84.72.718.15.6 北航 20 北航 21 如何做好失效分析工作 失效分析程序与思路 至关重要 失效分析工作强调思 路的正确性和技术手 段的巧妙性 北航 22 失效分析的程序 1、现场及相关信息的收集 2、初步确定肇事件 3、制定具体分析思路和工作程序 4、初步判断肇事件的失效模式 5、查找失效的原因 6、综合性分析 7、总结报告 北航 23 哥伦比亚飞机从哥伦比亚飞机从California上空再入后，其轨迹通过了上空再入后，其轨迹通过了

9、Nevada, New Mexico, 在在Texas北部上空解体，可以看到飞机残骸和碎片逐渐离去。北部上空解体，可以看到飞机残骸和碎片逐渐离去。 北航 24 l 共共17,400个电话、个电话、 电子邮件、报告等。电子邮件、报告等。 l 见了见了2,900个目击证人个目击证人 l 收到收到700分照片和录像分照片和录像 以及报告以及报告 调查组从调查组从20032月月1日到日到4月月4日日 北航 25 在肯尼迪航天中心，把在得克萨斯州和路易斯安纳州历时四个在肯尼迪航天中心，把在得克萨斯州和路易斯安纳州历时四个 月收集来的月收集来的8.4万片大约万片大约38飞机飞机的的残骸进行分类和重新组装。

10、残骸进行分类和重新组装。 为了查清原因，为了查清原因， 首先由首先由NASA 支持组成了调支持组成了调 查组，由材料查组，由材料 和工艺的工程和工艺的工程 师和科学家组师和科学家组 成。成。 北航 26 左侧下翼碎片左侧下翼碎片右侧下翼碎片右侧下翼碎片 从哥伦比亚航天飞机左及右侧恢复的碎片量比较。从哥伦比亚航天飞机左及右侧恢复的碎片量比较。 在轮子前左右相当，在轮子后左右相差很大。在轮子前左右相当，在轮子后左右相差很大。 左、右两翼残骸数量对比左、右两翼残骸数量对比 北航 27 残骸清洗和评估，寻找航天飞机爆炸可能残骸清洗和评估，寻找航天飞机爆炸可能 的起源；的起源； 对机翼上各种材料进行冶金

11、、金相和热分对机翼上各种材料进行冶金、金相和热分 析；析； 计算机模拟空气动力学及热力学模拟；计算机模拟空气动力学及热力学模拟； 收集在机翼上的传感器和录音机和图像的收集在机翼上的传感器和录音机和图像的 结果。结果。 再现的冲击再现的冲击RCC面板试验面板试验 由以上的分析判断航天飞机爆炸的起源。由以上的分析判断航天飞机爆炸的起源。 北航 28 航天飞机在升空约航天飞机在升空约 81.7秒时，从外贮秒时，从外贮 燃料箱上掉下一块燃料箱上掉下一块 隔热泡沫砸到左翼隔热泡沫砸到左翼 碳碳/碳复合材料碳复合材料 RCC8、RCC9号面号面 板下半部，在此形板下半部，在此形 成裂缝，但这种现成裂缝，但

12、这种现 象却没有实时发现象却没有实时发现 固体燃料助推火箭 固体燃料助推火箭 外贮燃料箱外贮燃料箱 航天飞机裂缝是怎么产生的？航天飞机裂缝是怎么产生的？ 北航 29 隔热泡沫掉到左机翼面板上的轨迹隔热泡沫掉到左机翼面板上的轨迹 计算机模拟的轨迹计算机模拟的轨迹录像记录的轨迹录像记录的轨迹 北航 失效分析的思路 失效分析全过程的思维路线。是指 在思想中以机械失效的规律为理论依据 ，把通过调查、观察和实验获得的失效 信息分别加以考察，然后有机结合起来 做为一个统一整体综合考察，以获取的 客观事实为证据，全面应用逻辑推理的 方法，来判断失效事件的失效模式，并 推断失效原因。 北航 思路 原因、中间现

13、象、结果 顺藤摸瓜 顺藤找根 顺瓜摸藤 顺根摸藤 瓜藤根 根藤瓜 藤根，藤瓜 北航 失效分析时要关注的零件 当前失效件 潜在失效件 过去失效件 北航 残骸分类 肇事失效件 泛指直接其他机件失效的机件； 特指直接机械失效甚至造成机械事故 的机件。 相关失效件 泛指对其他机件的失效有直接影响的 机件。 北航 残骸分类 受害失效件 泛指受其他机件失效的危害而失效的 机件，而该机件对其他机件的失效却没 有直接影响。 直接受害失效件 特指事故发生前受肇事件的危害而失 效的机件。 北航 残骸分类 被破坏件 特指事故发生时被破坏而失效的机件。 独立失效件 泛指与其他机件失效无关的失效机件。 特指事故或机械失

14、效发生之前，已经 失效的机件，但它对事故的发生或机械 的失效并无影响。 北航 残骸分类 首先断裂件 泛指机械中第一个发生断裂失效的机 件。 特指事故或机械失效过程中第一个断 裂件。 首先失效件 泛指机械中第一个发生失效的机件。 北航 北航 北航 北航 失效分析的思路 1、撒大网逐个因素排除的思路 操作人员、机械设备系统、材料、 制造工艺、环境和管理 2、失效树（故障树） 3、逻辑推理 演绎推理、归纳推理、类比推理等 北航 41 延性断裂 材质工艺引起 延性断裂 引起延性 断裂设计 材质工 艺复查 设计复 核 严重超载引起 延性断裂 使用受 力分析 热 加 工 失 效 金相组 织力学 性能检 查

15、 冷 加 工 失 效 尺寸表 面质量 检查 结 构 设 计 失 误 设 计 复 核 选 材 失 误 材料强 度复核 北航 42 失效率 失 效 率 使用时间 早期失效区随机失效区耗损失效区 浴盆曲线如何应用! 北航 43 50CrVA是一种典型的弹簧钢， 具有韧性好、疲劳强度高、淬 透性好和热敏感性低等优点。 某厂生产的50CrVA汽车用扭杆 设计寿命为500万次，在前期对 扭杆样件进行扭转疲劳性能测 试，结果部分扭杆在循环30万 次左右即发生断裂。试验频率 2.5Hz，扭转角度为7。 50CrVA扭杆断裂原因分析 北航 44 Fatigue source 1 Fatigue source 2

16、 Inclusion and hole 北航 45 扭杆扭转疲劳安全系数0.6071.012。 对汽车扭杆的优化设计中都取n=1.25。 对比说明试验设计的安全系数偏小，扭 杆实际所受剪应力超过了其许用应力值， 致使疲劳寿命降低。 扭转疲劳试验不能达到预期疲劳寿命最 主要的原因是疲劳试验时所选的扭转角 度过大。 北航 46 断裂边齿 北航 47 北航 48 北航 49 失效分析的思路 采用类比推理或逻辑推 断的思路 北航 Instron 疲劳试验机 疲劳试验疲劳试验 失效分析预测预防研究所失效分析预测预防研究所 Amsler 疲劳试验机 USF 2000 超声疲劳试验机 疲劳试验应力/MPa频率/Hz应力比 设计总寿命 /次 1低周疲劳10005-19,983 2高周疲劳71020-1142,014 3高频疲劳710120-135,500 4超声疲劳50020,000-18.48107 材料强韧化及损伤机理 北航 表面喷丸超声疲劳试样断口分析 “鱼眼”内 扩展区 瞬断区 ODA区 “鱼眼”外 扩展区 源区 断口低倍形貌 断口源区形貌 表面喷丸试样断口形貌(S=