失效分析的思路及其诊断

失效分析的思路与诊断失效分析的思路第一节常用的几种失效分析思路一、“撤大网〞逐个因素排除法表2-1事故的管理责任直接原因可能的根本原因管理失误〔1〕辅助工作太差对危险不认识监督训练和平安教育不够设施不当规划、方案不当〔2〕使用的工具、装置和设施不适当缺乏知识和技能干部的训练不够缺乏适当的作业程序确定的操作程序不适宜缺乏自觉性监督平安教育不够适合的作业程序实施不当干部的训练和平安措施不够〔3〕装置和设施不平安或有毛病对不平安不认识监督平安教育不够干部对训练和平安重视不够设计或选择太差规划、方案、设计不当监督平安教育不够装置、材料或工具不适宜维护太差维护和修理体系不当〔4〕缺乏适当的作业程序省略作业程序操作程序不妥设计者的错误规划、方案、设计不当监督者的错误监督不熟练〔5〕临时凑合的不平安作业程序训练不当确定的操作程序不当适宜的作业程序实施不当监督的平安教育不够干部的训练和平安教育不够监督不当监督的平安教育不够干部的选择和安排不当〔6〕没有按规定的作业程序实施对需要没强调适宜的作业程序实施不当监督的平安教育不够作业程序不清楚操作程序不当〔7〕对工作不了解指令复杂操作程序、规划、方案和设计不当理解不够干部的选择和安排不当〔8〕没有意识到危险指令不当监督的平安教育不够干部的训练和平安教育不够警告不当规划、方案、设计不当保安条例、测量方法和设备不当操作程序不当〔9〕缺乏适当的工具、装置和设施对需要没认识规划、方案、设计不当监督的平安教育不够供应不当设备、材料和工具不够或不当成心风气和纪律不好直接原因可能的根本原因管理失误〔10〕平安设备缺乏对需要没有认识规划、方案和设计不当保安条例测量方法和设备不够监督的平安教育不够干部的平安意识不强可用性不适宜设备、材料和工具不合用作业程序不当成心风气、纪律差、懒惰〔11〕防护设备缺乏对需要没有认识规划、方案、设计不当保安条例测量方法和设备不够监督的平安教育不够干部的平安意识不强可用性不适宜设备、材料和工具不合用作业程序不当成心风气和纪律差〔12〕载荷、强度、速度等超过规定极限警告不当保安条例不当适当的作业程序实施不当指令不当干部训练不当缺乏理解干部的选择和安排不当成心保安条例实施不当干部的平安教育不当〔13〕疏忽；对明显的平安惯例的无视缺乏自觉性保安条例和监测实施不当适当的作业程序实施不当干部训练不够干部的平安教育不够缺乏理解干部的选择和安排不当〔14〕疲劳降低了人的警惕性，使人处于催眠状态超过了身体或精神上能承受的程度规划、方案、设计不当干部的选择和安排不当干部的训练不够〔15〕行为不轨；成心用劳保用品造成故障士气低落，态度不好监督训练不够干部的选择和安排不当工作分派错误规划、方案和设计不当干部的选择和安排不当干部的训练不够

二、以设备制造全过程为一系统进行分析任何一个设备都要经历规划、设计、选材、机械加工〔包括铸、锻、焊等工艺〕、热处理、二次精加工〔研磨、酸洗、电镀〕和装配等制作工序，如果失效已确定纯属设备问题，还可对上述工序逐个进一步分析，包括以下内容：设计不当开孔位置不当造成应力集中；缺口或凹倒角半径过小；高应力区有缺口；横截面改变太陡；改变设计，没有相应地改变受力状况；设计判据缺乏；计算中出现过载荷；焊缝选择位置不当，以及配合不适当等；对使用条件的环境影响，未做适当考虑；提高使用材料的受力级别；刚性和韧性不适当；材料品种选择错误；选择标准不当；材料性能数据不全；材料韧脆转变温度过高；对现场调查不充分，认识缺乏就投入设计；与用户配合有过失。材料、冶金缺陷成分不合格；夹杂物含量及成分不合格；织组不合格；各种性能不合格；各向异性不合格；断口不合格；冶金缺陷〔缩孔、偏析等〕；恶化变质；混料。

锻造等热加工工艺缺陷折叠、夹砂、夹渣；裂缝；锻造鳞皮；流线分布突变或破坏；晶粒流变异常；沿晶氧化〔过烧〕；氧化皮压入；分层、疏松；带状组织；过热、烧裂；外来金属夹杂物；缩孔；龟裂；打磨裂纹；皱纹。机械加工缺陷未按图纸要求；外表粗糙度不合格；倒角锋利；磨削裂纹或过烧；裂纹；划伤、刀痕；毛刺；局部过热；矫直不当。铸造缺陷金属突出；孔穴；疏松；不连贯裂纹；外表缺陷；浇注不完全；尺寸和形状不正确；夹砂、夹渣；组织反常；型芯撑、内冷铁。

焊接缺陷错口超标；咬边超标；焊肉过凸或过凹；焊道深沟；焊趾、焊缝或根部有裂纹；熔化不全；打弧；焊接深度不够，未焊透；夹渣、夹杂或疏松；接头尺寸不合格；热输入不适当；焊前预热缺乏；焊后消除热应力不够或未消除；显微组织不合格；焊接裂纹。热处理不当过热或过烧；显微组织不合格；淬火裂纹；淬火变形、翘曲；奥氏体化温度不当使晶粒粗大；脱碳或增碳；渗氮；回火脆化；淬火后未及时回火；热应力。再加工缺陷酸洗后或电镀后未除氢或除氢不够；酸迹清洗未尽；镀前喷丸清洗不全；电镀电极打弧引起硬点；镀Cd、镀Zn的液态金属脆化；形成金属间化合物致脆；碰伤、标记压痕过深或位置不当；校直引起剩余应力；镀铬碎屑划伤；化学热处理不当；渗层组织反常；力学性能不合格。装配检验中的问题轴线对中不正；紧固件松动；敲打损伤；装配损伤；装配不正确；强迫装配；装配说明书说明不全或不清楚；装配马虎大意；磁粉检查电弧烧伤；磁化吸住钢屑造成磨损；漏检。使用和维护不当超载、超温、超速；冲撞、热冲击；振动过大的断续载荷；操作错误、没按说明书要求做；每次开车或停车猛烈、突然；清洗剂不适合；润滑不当；疏忽，不按期维护；没定期检查；修理不当；灾害预防措施不完善；平安措施差；漏电；早期疲劳裂纹。环境损伤腐蚀性气氛介质；高温或温度陡度过大；低温；海洋气氛；碱性溶液；氨气氛；润滑介质不适合；润滑剂变质或污染；流体介质中含有磨粒；控制的或规定的环境不适当。上面列举了可能引起设备系统失效的一些主要因素，当然这并非全部因素。还应指出，在某一大方面〔如热处理不当〕的因素中，有的还可以往前追查原因，例如对于热处理不当的淬火裂纹，还可进一步分析其原因，如表2-2所列举的。表2-2导致形成淬火裂纹的因素1.材料因素原材料已有缺陷a.宏观偏析；b.固溶体偏析；c.原有裂纹；d.严重脱碳；e.夹杂严重；f.疏松；g.夹渣原始组织不良a.晶粒粗大；b.魏氏组织；c.组织应力；d.锻造流线；e.碳化物带状组织；f.铁素体-珠光体带状组织轧制缺陷或锻造缺陷溶进氢选材不当2.工艺因素机加工不良a.印压痕；b.刀痕零件外形不合理没有预热，加热速度太快奥氏体化温度过高保温时间过长表层脱碳渗碳淬火处理中渗碳量过多淬火冷却速度太快加热或冷却不均匀淬火后未及时回火，容许温度降得太低掉入油槽底部，因底部有水淬裂冷却介质选择不当对于使用中承受交变载荷的局部出现的早期疲劳断裂，也可进一步分析其失效原因，如表2-3所示：

表2-3金属部件疲劳失效的诱发因素外因1.工作条件加载频率a.低周高应力；b.频繁断续加载超转速工作温度a.过低或过高；b.波动大环境介质a.腐蚀性气氛或介质；b.碱性清洗剂腐蚀；c.点腐蚀；d.环境氢；e.润滑剂不合要求使用载荷集中应力-时间曲线形状非零的平均应力2.振蚀〔微振磨损〕3.累积损伤内因材料化学成分不合格宏观组织的均匀性不合格金相组织不合格晶粒粗大或混晶；〔2〕存在魏氏组织；〔3〕带状组织严重；〔4〕氧化物夹杂不合格；〔5〕皮下碳化物聚集材料内部缺陷a.冶炼缺陷；b.铸造缺陷；c.锻造缺陷；d.焊接缺陷；热处理缺陷机加工引起的〔包括设计的〕缺陷a.外表加工粗糙；b.外表擦伤、划伤；c.外表剩余拉应力；d.校直不当造成的剩余拉应力；e.压印标记造成的剩余拉应力；f.开孔位置错误；g.倒角锋利；h.电弧烧伤应力集中；i.焊点应力集中；j.外形截面突变

三、根据部件失效模式分析机械产品一旦失效，一般表现为过量变形、外表损伤、破裂或断裂三种主要形式。这些类型还要进一步按失效模式再细分类。下面表2-4是按实际观察到的一些失效模型⑵所作的分类。表2-4金属零部件的各种失效模式1.过量变形〔1〕力和温度或者力或温度引起弹性变形〔2〕屈服〔3〕压痕〔4〕蠕变〔5〕冲击变形2.外表损伤〔1〕磨损a.粘着磨损；b.磨粒磨损；c.腐蚀磨损；d.变形磨损；e.冲击磨损；f.微振磨损；g.接触疲劳磨损；h.剥落〔2〕腐蚀a.均匀腐蚀；b.缝隙腐蚀；c.电池作用腐蚀；d.点腐蚀；e.晶间腐蚀；f.选择浸出；g.冲蚀；h.气蚀；i.氢损伤；j.生物腐蚀；k.应力腐蚀；l.微振腐蚀3.断裂〔1〕延性断裂〔2〕脆性断裂〔3〕冲击断裂〔4〕疲劳断裂a.高温疲劳；b.高周疲劳；c.低周疲劳；d.热疲劳；e.接触疲劳；f.冲击疲劳；g.腐蚀疲劳；h.微振疲劳〔5〕应力持久断裂〔6〕蠕变-疲劳复合断裂

六、根据部件和设备类别分析轴类零件的失效原因轴类的失效模式，有以下12种：单向弯曲疲劳；双向弯曲疲劳；旋转弯曲疲劳；扭转疲劳；接触疲劳；微振疲劳；脆性疲劳；延性疲劳；塑性变形；磨损失效；蠕变断裂；腐蚀断裂。常见的有弯曲疲劳损坏、扭转疲劳损坏、复合的〔弯曲和扭转〕疲劳损坏、和超载或撞击的延性断裂。引起轴类失效的原因如表2-8和表2-9所示⑸。表2-8轴类失效的原因与诱发因素1.设计不当应力集中〔键槽端、压配合键端、油孔边轴肩内圆角、内角锋利、横截面突变〕振动2.材料问题冶金缺陷〔锻造折叠、皮下缺陷、非金属夹杂偏聚〕化学成分或力学性能与说明书不合韧-脆转变温度过高对氢脆、碱脆、回火脆敏感3.制造缺陷感应加热裂纹电火花加工孔边裂纹淬火裂纹加工刀痕，磨削损伤认别标记4.装配不当—合轴偏心5.维护使用不当恶劣的作业条件不正当使用〔冲撞、扭转超载〕砂子和金属粒子引起的震动、磨损电腐蚀修理不当

表2-9联邦德国阿利安茨技术中心1968—1975年间对传动轴和支承轴失效案例统计⑸失效原因失效实例分布率，%失效位置失效实例分布率，%产品缺陷a运行失误故障b外界影响c603010结构上的缺口处有腐蚀的部位其它位置80155包括制订产品规划和设计的失误〔结构布局不合理、计算错误、几何形状不合理、选材不当等〕。制造工艺和处理工艺所造成的缺陷〔如焊接、铸造、热处理、机加工缺陷等〕，装配或安装造成的缺陷，以及混料、用错料等原因引起的失效。如因振动造成的松动、平安保护装置失灵，伺服设施故障、磨损、腐蚀、失效老化等引起的失效。如自然灾害、异物侵袭、电网超高压等造成的失效。滑动轴承的失效原因滑动轴承失效的表现形式，常见的是轴瓦上有磨损沟槽、腐蚀斑块，剥落和麻点。其原因和诱发因素列于表2-10。

表2-10滑动轴承失效的原因和诱发因素1.机加工质量差外表精整质量差划伤尺寸规格不稳定尺寸不合格2.灰尘〔脏〕大的灰尘颗粒被嵌镶到软的轴瓦中3.润滑不良外部漏油吸油内网堵塞油泵有缺陷油路堵塞或泄漏减压阀弹簧失效轴承严重磨损油孔位置不当，没对正供油孔燃料渗入变稀润滑剂变质粘滞性不适宜4.装配不正确轴瓦匹配颠倒轴颈有锥形轴瓦内孔失圆压贴过紧或缺乏连杆中心线不同轴不正当压扁5.连杆中心线不同轴使连杆被弄弯的原因违反操作规程，强拖发动安装错误连杆装入前，随意放置或挪动粗心6.超载，冲击加载7.腐蚀润滑油中有酸的生成物润滑油温过高润滑油选用不当8.漏电滚动轴承的失效原因不同的失效原因造成滚动轴承失效的形式也大不相同，说明于表2-11和表2-12。弹簧的失效原因弹簧失效的主要模式是疲劳断裂和脆性断裂。其次是腐蚀断裂、应力腐蚀断裂、氢脆、黑脆、松弛、变形和磨损。现将弹簧脆断和疲劳断裂的原因和影响因素列表于2-13。至于两种断裂的特征，横向平断口上无贝壳把戏的为脆断；斜断口上有贝壳把戏的为疲劳断。表2-11滚动轴承失效的原因及其对应的损坏形式失效原因具体案例原因与原因对应的损坏形式1.润滑油污染水汽磨料外界物质〔大颗粒尘土，金属屑〕腐蚀〔1〕+〔2〕划伤、擦伤发灰、变色磨损、起麻点、剥落2.润滑不正确完全没有润滑油供油量太少润滑油种类不对润滑油太多太稠润滑油等级或密度不对间断供油过热软化擦伤、咬合〔2〕、〔3〕、〔5〕粗糙化、起麻点、剥落〔4〕金属涂抹保持架破碎3.安装不正确预压过大调整过紧强装外圈与壳体配合过松轴与轴承内孔配合过松装配过紧使用不正确工具〔1〕、〔2〕类似润滑缺乏引起的损伤圈开裂摩擦腐蚀蠕变磨损疲劳至剥落损伤保持架4.拿放保管粗心锤击工具〔冲子〕敲装手锤敲击座圈冲头挖伤油封保管粗心摔伤保管或安装时装击成凹坑外环出现缺口裂纹损坏保持架引起早期疲劳断裂外圈刻裂5.中心洗线失调轴弯曲轴承与轴承座之间夹有外界物质轴向游隙过大磨损、早期疲劳断裂磨损、早期疲劳断裂内圈内孔一侧严重磨损6.繁重作业短时期内特别沉重的冲击载荷轴向游隙大加上下振动速度和载荷过大振动使滚动体在不动的座圈上前后滑动座圈压痕，座圈和滚动体破裂座圈破碎座圈外表片状剥落凹沟痕迹7.振动磨损加撞击压坑8.漏电电麻坑

表2-12滑动轴承和滚动轴承失效案例原因的统计分布⑸失效原因损坏案例的分布率.%滚动轴承〔1400例〕滚动轴承〔530例〕产品失效质量低劣方案、设计和计算的错误及工艺缺陷轴承各部件材料使用不当运行失误操作失误、维护不当和监控装置失效连续运行中磨损外界影响〔例如在异常情况下运行造成的损坏〕30.114.413.81.965.937.428.54.04.023.410.79.13.669.639.130.57.07.0表2-13弹簧脆性断裂和疲劳断裂的原因断裂模式断裂原因及影响因素1.脆性断裂〔1〕材料缺陷外表缺陷外表裂纹冷拔或冷绕留下的折叠或刻痕磨光钢丝的横向磨痕、麻点碰伤外表脱碳内部缺陷粗大夹杂层状结构晶粒异常粗大马氏体脆性相〔2〕制造及热处理方法不当成形不当机加工不当组织不正常过热或过烧淬火裂纹电镀不当其它工艺不当〔如除氢不尽〕2.疲劳断裂〔1〕材料缺陷化学成分不当魏氏组织外表缺口横向微裂纹小孔皱皮折迭麻坑分层皮下碳化物〔2〕设计不当弹簧指数和硬度配合不当截面尺寸小转速过高，应力循环快〔3〕制造工艺不当拉拔过度引起撕裂工具伤痕锋利弯曲绕簧刻痕或裂纹焊接缺陷外表脱碳酸洗电镀除氢不尽外表喷丸不当店触点、加热过热、电弧坑〔4〕维护操作不当冲击载荷频繁载荷偏心过载腐蚀、微振腐蚀温度过高或过低磨损5.齿轮的失效原因齿轮损伤的模式，主要表现为断齿和齿面损伤。现将齿轮失效模式和失效原因列表如下。表2-14齿轮失效的模式、形貌和原因失效模式损伤形貌导致失效原因齿