第一章-失效及失效分析的概念ppt課件

零件的失效及分析2018年4月,第一章失效及失效分析的概念,本章內(nèi)容摘要,失效及失效分析的定義；失效分析的意義和重要性；機械產(chǎn)品失效的分類；失效分析的工作內(nèi)容；失效分析與其他學科、技術(shù)間的關(guān)系。,前言,失效與失效分析：是一門涉及面廣、實用性強的實用基礎(chǔ)技術(shù)。隨著科學技術(shù)日益進步，工程失效事件不斷發(fā)生，失效分析技術(shù)也不斷發(fā)展，使用的手段也不斷完善，人們對失效的認識也越來越豐富、充實，工程界已將它列為一門學科即機械失效學（失效學）。機械失效學：研究機械產(chǎn)品（裝備）的失效理論、失效診斷技術(shù)和失效預(yù)測預(yù)防方法及其應(yīng)用一門學科。,失效學：是一門邊緣交叉的、綜合的新興學科，它與多種學科、技術(shù)相關(guān)，與基礎(chǔ)學科相結(jié)合，形成不少邊緣學科。如：失效學物理學失效物理學；失效學力學失效力學(損傷力學）；失效學數(shù)學可靠性數(shù)學等。失效分析：是一門跨學科的綜合性技術(shù)，它涉及的知識廣泛，與許多應(yīng)用學科和技術(shù)密切聯(lián)系；它是以機械產(chǎn)品為對象，故也稱為：機械產(chǎn)品的失效分析。,機械產(chǎn)品（機械零件、設(shè)備、裝置）的失效分析，在工業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)中具有重要的實用價值。機械產(chǎn)品由于在材料選用、設(shè)計、制造、使用、維修及人為操作等原因常發(fā)生失效，輕則須更換零件、重則導(dǎo)致嚴重事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟上重大損失。歷史上曾有如：列車因車軸、車輪的斷裂而出軌或傾覆；大型輪船因船體斷裂而沉沒；大型壓力容器、鍋爐的爆炸；大型電站轉(zhuǎn)子的飛裂；橋梁的斷裂；飛機因發(fā)動機、機翼等零件的失效而墜毀；海洋石油鉆井平臺因立柱斷裂而覆沒。,特別是：大量通用的、關(guān)鍵的、基礎(chǔ)零、部件地大量早期失效，嚴重影響了機械產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命，因此需要有更多的人從事失效分析工作，重視和搞好產(chǎn)品的失效分析，這對提高機械產(chǎn)品的質(zhì)量，將起深遠的影響。本選修課目的：普及失效分析的基礎(chǔ)知識，提高材料技術(shù)人員的失效分析水平。通過學習1.了解失效分析的基本概念；2.掌握失效分析的思路與方法；3.熟悉典型機械產(chǎn)品失效的規(guī)律與特點；為今后順利地進行失效分析工作打下一定的基礎(chǔ)。,1-1失效及失效分析的定義意義和重要性,一、失效及失效分析的定義,1.失效（Failure)機械零件、設(shè)備、裝備或系統(tǒng)統(tǒng)稱為機械產(chǎn)品。任何機械產(chǎn)品都為完成某種規(guī)定的功能而設(shè)計的，也即各種機械產(chǎn)品都具有一定的功能。如：軸類、彈簧等零件傳遞力、能量或承受載荷等；發(fā)電機使熱能或其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；汽車主要需安全、高速、低油耗、少污染、舒適等。,一、失效及失效分析的定義,機械產(chǎn)品在服役中，因應(yīng)力、時間、溫度、介質(zhì)和操作失誤等因素的作用，常有失去其原有功能的現(xiàn)象。機械產(chǎn)品喪失其規(guī)定的功能的現(xiàn)象稱為失效?！笆А笔且粋€技術(shù)名詞，曾被稱“事故”、“故障”等。1980年12月，由中國機械工程學會機械產(chǎn)品失效分析委員會會議上正式統(tǒng)稱為“失效”。,失效的三種形式,國外資料失效的定義：即失效有以下三種情況。1.完全不能工作（完全喪失功能）如：發(fā)動機中曲軸、連桿的斷裂；渦輪機葉片突然斷裂；壓力容器殼體開裂等；2.雖仍能工作，但不能完全規(guī)定的功能（功能衰退）如：發(fā)動機氣缸套、活塞環(huán)嚴重磨損，間隙增大，發(fā)動機功能降低。3.能工作和完成規(guī)定功能，但不能確保安全，應(yīng)更換維修。如：經(jīng)長期高溫運行的壓力容器及其管道，內(nèi)部組織發(fā)生變化，繼續(xù)使用存在開裂危險；等。,“失效”與“故障”,“失效”與“故障”：二個名詞概念不同、但又緊密相關(guān)。“系統(tǒng)故障狀態(tài)”：因個別或少數(shù)幾個零部件失效，導(dǎo)致機器、裝備或系統(tǒng)無法正常工作，失去應(yīng)有的功能，此系統(tǒng)就處于故障狀態(tài)。系統(tǒng)故障狀態(tài)：指局部的、可修復(fù)的、暫時的失效。若經(jīng)更換或修復(fù)已失效零、部件，系統(tǒng)就能恢復(fù)正常；若失效零、部件過多或損傷過重而不能修復(fù)或不宜修復(fù)，則該系統(tǒng)完全失效報廢。,“失效”與“事故”,“失效”與“事故”：因個別零件失效而引發(fā)系統(tǒng)中其他零、部件或子系統(tǒng)發(fā)生快速破壞，以致系統(tǒng)發(fā)生損失嚴重的整體失效，即“事故”?！笆鹿省睆娬{(diào)的是后果，即造成的損失和危害；“失效”強調(diào)的是機械產(chǎn)品本身的功能狀態(tài)?！笆А焙汀笆鹿省保簝烧哂幸欢ㄒ蚬P(guān)系，但并無必然的聯(lián)系?！笆鹿省保嚎捎伞笆А币鸬模部善渌蛟斐傻?。,“失效”與“廢品”,“失效”與“廢品”：兩名詞含義不同。“廢品”：指不符合技術(shù)規(guī)范、標準或圖紙要求、而又不宜返修的產(chǎn)品或零件?！皬U品”：不具基本功能、尚未投入使用的零件或產(chǎn)品，故就不存在喪失功能的問題。但漏檢的廢品，可能在使用中產(chǎn)生失效。,失效的隨機性：早期適應(yīng)性運行及晚期耗損達到壽命而失效，屬可預(yù)料正常失效。在運行期間，在何時、以何方式發(fā)生失效是隨機事件，還暫時無法預(yù)料。斷裂失效與非斷裂失效：機械零、部件產(chǎn)生斷裂是失效斷裂失效；而因磨損、變形或腐蝕使零部件尺寸變化等也稱失效非斷裂失效。斷裂失效的災(zāi)難性：機械產(chǎn)品的失效是經(jīng)常發(fā)生的，突如其來的斷裂失效帶來災(zāi)難性破壞，給生命和財產(chǎn)造成巨大損失。這在國內(nèi)外工業(yè)發(fā)展史上是屢見不鮮的。,重大失效案例,1944年10月20日，美國東俄亥俄州煤氣公司液化天然氣儲儲藏基地，一臺直徑21.3m，高12.8m的圓筒形儲氣罐，由于在1/31/2的高度處殼體破裂而噴出氣體和液體，隨后爆炸起火，20min后，另一臺內(nèi)徑為17.4m的球罐因受熱倒塌而爆炸，由此造成128人死亡，當時經(jīng)濟損失達680萬美元。,1979年9月7日，中國某化工廠氯氣車間的液氯鋼瓶爆炸，使10t液氯外溢擴散，波及范圍7.25Km2，致使59人死亡，779人中毒，當時統(tǒng)計的直接經(jīng)濟損失達63萬元。,重大失效案例,1984年12月3日凌晨，在印度博帕爾市的美國聯(lián)合碳化物公司所屬一家化工廠，因安全裝置失靈，系統(tǒng)升壓導(dǎo)致儲罐管路破裂，泄出大量毒氣，造成2500人死亡。該市50萬居民中有20萬受到毒氣侵害，其中2萬人需住院治療。后來美國公司賠償150億美元的損失費。,1980年3月27日，北海的石油鉆探船AlexanderKiellang號，由于連接五條立柱的水平橫梁發(fā)生腐蝕疲勞斷裂而完全傾覆，損失達幾千萬美元。,重大失效案例,1986年1月28日11時39分12秒（美國東部時間），美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機，從佛羅里達州肯尼迪航天中心，第10次發(fā)射升空后73秒鐘，到10英里上空，因助推火箭發(fā)生故障，突然爆炸，航天飛機被炸成碎片墜入大西洋。7名宇航員遇難，直接損失12億美元，停飛近3年，為人類航天史上最嚴重一次載人航天事故。,失效分析,1.失效分析（FailureAnalgsis)機器零件的失效特別是斷裂失效，危及人員生命及財產(chǎn)安全。為防止失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量，早在20世紀初，就開始對零、構(gòu)件失效現(xiàn)象進行系統(tǒng)分析研究。隨著工程力學、材料科學及交叉學科的發(fā)展和電子光學儀器測試技術(shù)的進步，在對大量工程失效現(xiàn)象的行為規(guī)律與機理研究的基礎(chǔ)上，逐漸形成了一門新的分支學科，即失效學，也稱失效分析。失效分析：就是分析失效的原因，研究采取補救和預(yù)防措施的技術(shù)活動和管理活動。,失效分析的目的：不僅要分析和判斷失效原因，更重要找出有效的預(yù)防和補救措施，以防止同類事故重復(fù)發(fā)生，它是提高產(chǎn)品的可靠性、壽命的一項積極的工作。即為“壞事變?yōu)楹檬隆?。失效分析的重點：1.分析失效的原因即所謂“失效診斷”。2.采取相應(yīng)預(yù)防和補救措施即“失效對策”。失效分析的依據(jù)：1.機械產(chǎn)品的性能參數(shù)；2.機械零件、設(shè)備和系統(tǒng)的可靠度分析（數(shù)理統(tǒng)計）資料；3.機械零、部件的失效殘骸。,二、失效分析的意義和重要性,1）失效分析：要找出失效原因，采取有效措施，使同類失效事故不再重復(fù)發(fā)生，可避免極大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。2）促進科學技術(shù)的發(fā)展；19世紀工業(yè)革命，蒸汽機采用，促進鐵路運輸，但連續(xù)發(fā)生多起因火車軸斷裂，列車出軌事故。大量斷軸分析和試驗研究表明：裂紋均從輪座內(nèi)緣尖角處開始。認識到：金屬在交變應(yīng)力下，即使應(yīng)力遠低于金屬的抗拉強度，經(jīng)一定循環(huán)積累，也會發(fā)生斷裂，即“疲勞”?！捌跀嗔选背蔀榻饘俨牧蠌姸葘W中的一個重要領(lǐng)域，設(shè)計疲勞試驗機，確立“疲勞極限”的概念，提出抗疲勞設(shè)計方法。,二戰(zhàn)期間，美國有4694艘焊接結(jié)構(gòu)“自由輪”，有1289艘發(fā)生不同程度失效。其中：238艘斷成兩截或嚴重損壞而報廢；19艘沉沒；24艘甲板完全斷裂。事故多發(fā)在美國冰島英國的北大西洋低溫寒冷航線上。,戰(zhàn)后開展大量失效原因的分析研究，認識到：鋼的“缺口敏感性”及“鋼的低溫脆化”。即碳鋼和低合金鋼存在脆性轉(zhuǎn)變溫度，在低于某一溫度就會變脆（對缺口極為敏感）。因當時美國船舶技術(shù)標準沒有對船體鋼的“缺口敏感性”和“低溫韌性”提出要求。由此提出了船體鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的判據(jù)。鋼的低溫韌性轉(zhuǎn)變特性：可很好解釋焊接結(jié)構(gòu)“自由輪”、鋼制橋梁、壓力容器、管道等在低溫下工作的失效。,4050年代，美國發(fā)生數(shù)起電站設(shè)備的飛裂及英國皇家空軍飛機墜毀事故。失效分析表明：鋼中的氫（H）及夾雜物的有害作用。奠定了鋼的氫脆基本理論，為此發(fā)展了堿性和真空冶煉技術(shù)，促使冶金技術(shù)的發(fā)展。,大型化工設(shè)備不銹鋼零、部件斷裂失效，受到關(guān)注。失效分析認識了金屬在其敏感介質(zhì)系統(tǒng)中，存在各類應(yīng)力腐蝕開裂行為，并研究其產(chǎn)生機理。如：19651966年間，美國登月計劃，用Ti-6Al-4V鈦合金制成壓力容器曾發(fā)生多起應(yīng)力腐蝕斷裂。此外，鍋爐鋼“堿脆”，黃銅彈殼的“季裂”；鎂合金飛機構(gòu)件存放期間的開裂；核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)奧氏體不銹鋼的開裂等均為應(yīng)力腐蝕造成。,3）促進機械產(chǎn)品質(zhì)量和安全可靠性的提高：零件失效：與設(shè)計、選材、制造、檢驗、安裝等過程相關(guān)；通過失效分析，不斷地將失效原因、預(yù)防措施等反饋到設(shè)計有關(guān)部門，進行相應(yīng)改進，促進產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性提高。A.向設(shè)計部門反饋：改進產(chǎn)品設(shè)計，完善技術(shù)規(guī)范；B.向制造部門反饋：改進生產(chǎn)工藝，創(chuàng)制和推廣新工藝。C.向材料部門反饋：合理化選材，開發(fā)和研制新材料；D.向用戶反饋，健全和完善使用、維修制度。失效分析：提高機械產(chǎn)品質(zhì)量、創(chuàng)建名牌產(chǎn)品的必由之路。,4）失效分析是制訂或修改技術(shù)標準提供的依據(jù)：如：美國制造“自由輪”的船用鋼板，當時未提出韌性要求；脆性斷裂失效分析結(jié)果規(guī)定：對船用鋼板提出韌性要求：15英尺磅。而英國在此基礎(chǔ)上，收集大量試驗數(shù)據(jù)，規(guī)定了在工作溫度下，船用鋼板的韌性：1535英尺磅。5）失效分析也是仲裁失效事故、開展技術(shù)保險業(yè)務(wù)及對外貿(mào)易中索賠的重要依據(jù)。因此，失效分析在國民經(jīng)濟、科技發(fā)展中具有重要作用，在世界各國均受高度重視，已成為一門新興的學科。,1-2機械產(chǎn)品失效的分類,失效的分類,機械零部件（機件）的失效：機械零件因力（能量）、溫度、介質(zhì)等物理和化學的作用，而逐漸發(fā)生尺寸、形狀、狀態(tài)或性能的變化，并以特定的表現(xiàn)形式喪失其規(guī)定的功能。特定的表現(xiàn)形式：即各種“失效形式”或“失效類型”。顯然，不同物理和（或）化學過程對應(yīng)著不同的失效形式。零件失效形式：受多種因素影響，其失效形式也很復(fù)雜。為揭示同類失效形式的本質(zhì)，比較和鑒別各類失效形式，對各種失效形式進行科學的分類是必要的。,失效的分類方法,失效的分類方法：也是多種多樣的。為便于失效的研究、分析和事后處理，失效按以下三種方法分類：1、從技術(shù)觀點分類：便于對失效進行機理研究、分析診斷和采取預(yù)防對策。2、從質(zhì)量管理觀點分類：便于管理和反饋；3、從經(jīng)濟法觀點分類：便于事后處理。本書將主要討論從技術(shù)觀點的分類。,一、從失效分析技術(shù)觀點分類,一、從“失效分析技術(shù)”觀點分類：主要是按失效模式和失效機理分類。失效模式：指失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和規(guī)律。失效機理：指引起失效的微觀的物理化學變化過程和本質(zhì)。兩者相結(jié)合的分類：可實現(xiàn)宏觀與微觀相結(jié)合、由表及里地揭示失效物理本質(zhì)和過程，為重要分類方法。按失效的宏觀特征，可將機械零件失效分為：斷裂失效、非斷裂失效兩大類或過量變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三類。（一級形式）,（一）過量變形失效,（一）過量變形失效：機件在使用過程中，產(chǎn)生超過設(shè)計配合要求的過量變形。過量塑性變形失效（二級失效形式）如：花鍵軸扭曲的扭轉(zhuǎn)變形失效；緊固螺栓的拉長變形失效；孔徑的脹大超限失效；動力機械的高溫蠕變失效；過量彈性變形失效如：鏜床的鏜杠，剛性不足；彈性元件（彈簧）的永久變形失效等。,（二）斷裂失效,（二）斷裂失效：可分為：脆性斷裂：斷裂前無或很少發(fā)生宏觀可見塑性變形。韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形。疲勞斷裂：在交變載荷下，經(jīng)一定時間后發(fā)生斷裂。環(huán)境介質(zhì)引起的斷裂、沖擊斷裂、蠕變持久斷裂等二級失效形式。,疲勞斷裂分類,1、按應(yīng)力高低分為：低周疲勞高周疲勞高低周復(fù)合疲勞失效等三級失效形式；2、按應(yīng)力來源分為：機械疲勞失效和熱疲勞等三級失效形式。機械疲勞失效：又分為彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞和接觸疲勞等四級失效形式。,環(huán)境介質(zhì)引起的斷裂,環(huán)境介質(zhì)引起的斷裂：材料與環(huán)境介質(zhì)的相互作用，在應(yīng)力作用下，常發(fā)生低應(yīng)力延遲斷裂，導(dǎo)致零件失效，也稱為環(huán)境破斷失效或環(huán)境誘發(fā)開裂失效。又有：應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆斷裂、腐蝕疲勞斷裂、輻射脆化、液態(tài)金屬脆化等三級失效形式。,（三）表面損傷失效,（三）表面損傷失效：零件表面損傷失效可由磨損和腐蝕而引起的。磨損、腐蝕和斷裂是工程構(gòu)件三種主要的失效形式。斷裂失效帶來危害最大，但當機件表面損傷（磨損、腐蝕或接觸疲勞及復(fù)合作用）使機件尺寸變小、光潔度下降，出現(xiàn)腐蝕坑、麻點、剝落等造成機件精度下降、振動增大，逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致喪失功能（即慢性失效），此類損失也是驚人的。據(jù)統(tǒng)計，約有80損壞的機件是因磨損而報廢的。表面損傷失效：可分為磨損失效、腐蝕失效。,1、磨損失效,1、磨損失效：當材料表面或與流體相互接觸，并作相對運動（摩擦）時，因物理和化學作用，引起金屬小顆粒逐漸從表面脫落的一種破壞現(xiàn)象，使材料表面形狀、尺寸或質(zhì)量發(fā)生變化的過程。磨損屬正?，F(xiàn)象，但當磨損超過允許值，導(dǎo)致構(gòu)件功能喪失，則稱為磨損失效。如：發(fā)動機中汽缸套與活塞環(huán)、軸瓦與軸、凸輪軸與桿等。磨損有多種形式，若按其產(chǎn)生機理可分為：粘著磨損、磨粒（料）磨損、腐蝕磨損、沖擊磨損、微動磨損、氧化磨損、接觸疲勞磨損等。,2、腐蝕失效,2、腐蝕失效：腐蝕：機件表面在周圍介質(zhì)（酸、堿、鹽）中發(fā)生化學、電化學反應(yīng)或物理溶解而引起的表面損傷的現(xiàn)象。統(tǒng)計表明：世界上生產(chǎn)的鋼鐵約2040因腐蝕失效而報廢的，除直接損失外，因零件或設(shè)備腐蝕而引起停工停產(chǎn)、大量有害（用）物質(zhì)滲漏，環(huán)境污染，甚至造成火災(zāi)、爆炸等重大事故，其損失比起金屬本身的價值要高的多。金屬腐蝕失效分類：常見分類方法：1）按金屬與介質(zhì)的作用性質(zhì)區(qū)分：金屬腐蝕：化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類；,腐蝕失效分類（1）,（1）化學腐蝕是金屬表面與介質(zhì)發(fā)生化學作用引起的，其特點是，在腐蝕過程中無電流產(chǎn)生?；瘜W腐蝕：又可分為氣體腐蝕：金屬在干燥氣體中發(fā)生的腐蝕。如高溫氧化；在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕：金屬在不導(dǎo)電溶液（有機液體）發(fā)生的腐蝕。（2）電化學腐蝕在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生的腐蝕。電化學腐蝕：按所接觸的介質(zhì)環(huán)境不同，可分為大氣腐蝕：在潮濕氣體（如空氣）中進行的腐蝕；土壤腐蝕：埋設(shè)在地下的金屬制品（管道、電纜）的腐蝕。電解質(zhì)溶液中的腐蝕：在天然水和大部分水溶液（酸、堿、鹽的水溶液）中的腐蝕，此為最為普遍的。熔融鹽中的腐蝕：化工容器、設(shè)備，鹽浴爐中的金屬電極。,腐蝕失效分類（2）,2）按腐蝕破壞的形式區(qū)分：金屬腐蝕：均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類；（1）均勻腐蝕：在整個金屬表面上腐蝕均勻地發(fā)生；（2）局部腐蝕：腐蝕僅局限于一定區(qū)域內(nèi)；雖不引起零件外形變化，但性能急劇下降，破壞突然。局部腐蝕：又可分為斑點腐蝕：金屬表面似斑點分布，面積大但不深；點腐蝕：金屬局部被腐蝕，孔小而深，嚴重時穿孔；晶間腐蝕：腐蝕沿金屬晶界進行，導(dǎo)致金屬機械性能下降?？p隙腐蝕：在金屬與金屬、金屬與非金屬間的縫隙處發(fā)生。選擇腐蝕：多元合金中某一組分優(yōu)先溶解，如黃銅脫鋅現(xiàn)象。,3、腐蝕和磨損綜合作用,3、腐蝕和磨損綜合作用腐蝕磨損失效：“咬蝕”：在載荷和一定頻率振動條件下，在機件配合處表面產(chǎn)生微小滑動，所引起的一種表面損傷現(xiàn)象。它是機械磨損與化學腐蝕綜合作用結(jié)果，磨損產(chǎn)物為氧化物，也稱為“微動腐蝕磨損”。如：緊配合的軸頸處、擰緊的螺母與螺栓等處。,“氣蝕”：發(fā)生在液體與機件接觸處，因相對運動摩擦，液體在高壓區(qū)形成渦流，氣泡在高壓區(qū)突然潰滅，產(chǎn)生較大循環(huán)沖擊力，使機件表面疲勞損壞；加上液體介質(zhì)化學、電化學作用，加速表面破壞。常在水泵零件、水輪機葉片、船舶螺旋槳、柴油機汽缸壁等?！捌g”特征：表面先產(chǎn)生“麻點”，在擴展為泡沫或海綿狀穴蝕。,4、熱疲勞,4、熱疲勞：當零件處于變化的溫度場使用時，因交變熱應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生“熱疲勞”損傷。結(jié)果在零件表面產(chǎn)生表面裂紋（龜裂），它也是一種表面損傷失效。如：熱鍛模具、塑料模具等。,（四）裂紋失效,（四）裂紋失效：1）工藝裂紋：各種零件在制造工程中產(chǎn)生的工藝裂紋及一些缺陷，雖不能算是失效，但也常需對其產(chǎn)生原因進行分析，采取相應(yīng)措施加以避免的。其中工藝裂紋包括有：鑄造裂紋、鍛造裂紋、焊接裂紋、熱處理裂紋、機加工（磨削）裂紋等。2）使用裂紋：原先無裂紋，使用后發(fā)現(xiàn)的使用裂紋，則算是一種失效的形式，它屬于局部斷裂失效。（五）其他各種功能失效：如：緊固件在高溫下的松弛緊固力下降；其他的各種光學、磁學、電學等的功能下降。,二、從質(zhì)量管理和可靠性工程觀點分類,質(zhì)量管理：是人們?yōu)榱吮ＷC、改進和提高質(zhì)量而從事的計劃、組織、協(xié)調(diào)、審查、檢驗等一系列和控制的活動。產(chǎn)品質(zhì)量控制網(wǎng)“三性”（健全性、嚴密性和散布性）“失效”：是產(chǎn)品質(zhì)量控制網(wǎng)“三性”（發(fā)生偏差（弱網(wǎng)、漏網(wǎng)和無網(wǎng)）的反映；,失效分析：就是對質(zhì)量控制網(wǎng)“三性”的實地檢驗。因此，失效分析是質(zhì)量管理的重要組成部分之一。,可靠性工程：是運用系統(tǒng)工程的思路和方法，權(quán)衡經(jīng)濟利弊，把設(shè)備（或系統(tǒng)）的失效率降低到可接受的程度，從而進行合理故設(shè)計（可靠性設(shè)計）和管理的一門技術(shù)?？煽啃怨こ虒嵸|(zhì)：就是預(yù)測、預(yù)防和控制失效的技術(shù)工作和管理活動，而“失效分析”則是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)。失效從質(zhì)量管理和可靠性工程的觀點分類：即從1.失效發(fā)展的過程2.速度3.失效的工程含義（即失效的整體性、可修復(fù)性和相關(guān)性）來分類。,1、按產(chǎn)品失效的發(fā)展過程分類,1按產(chǎn)品失效的發(fā)展過程分類：,若以失效率單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率來描述產(chǎn)品失效的發(fā)展過程，那末，在不進行預(yù)防性維修的情況下，設(shè)備、元件的失效率與其工作（使用）時間t間關(guān)系成典型失效率曲線。,因曲線的形狀與浴盆相似故稱為“浴盆曲線”。產(chǎn)品失效按其發(fā)展過程分類：對可靠性工程是十分有用的。,（1）早期失效期,按照“浴盆曲線”的形狀，即按產(chǎn)品失效的發(fā)展過程，可將整個失效過程分為三個時期：,（1）早期失效期：在產(chǎn)品使用初期，易暴露設(shè)計和制造上的缺陷，產(chǎn)品早期失效率高。隨著使用時間的延長，失效率則很快下降。“幼年期”,若產(chǎn)品出廠前，進行“老練“過程，即可靠性試驗，那么，在產(chǎn)品使用時，從一開始便可使失效率大體保持恒定值。,（2）偶然失效期,（2）偶然失效期：理想情況下，在產(chǎn)品磨損或老化前，應(yīng)無“失效”的，但因環(huán)境偶然變化、操作時人為偶然差錯或管理不善造成的“潛在缺陷”，仍有產(chǎn)品發(fā)生偶然失效。偶然失效率：是隨機分布的、很低的和基本恒定的，又稱為隨機失效期，相當人的“青壯年期”。,這是產(chǎn)品最佳工作時期。偶然失效率的倒數(shù)1/即為無失效的平均時間。,（3）磨損失效期,（3）磨損失效期：經(jīng)偶然失效期后，設(shè)備中元件已到壽命，失效率開始急劇增加，標志產(chǎn)品進入“老年期”，其失效稱磨損失效，或磨耗失效。,若在進入磨損失效期之前，進行必要的預(yù)防維修，其失效率仍可保持在偶然失效率附近，從而可延長產(chǎn)品的偶然失效期（使用壽命）。,2、按產(chǎn)品失效發(fā)生的速度分類,2按產(chǎn)品失效發(fā)生的速度分類：突發(fā)失效；漸進失效；間歇失效。3按產(chǎn)品失效的工程含義分類：按其整體性可分為：系統(tǒng)失效，部件失效。按其修復(fù)可能性可分為：暫時失效，永久失效。按其相關(guān)性可分為：獨立失效和從屬失效；或分為：關(guān)連失效和非關(guān)連失效等。,三、從“經(jīng)濟法”的觀點分類,三、從“經(jīng)濟法”的觀點分類：機械產(chǎn)品失效會造成一定的經(jīng)濟損失、甚至人員的傷亡，往往會引起賠償和責任的訴訟。失效按“經(jīng)濟法”的觀點分類：是為分清和判處失效的法律責任和經(jīng)濟責任。此分類方法在處理索賠的失效事件時尤為重要。1按失效的責任分類：產(chǎn)品本質(zhì)缺陷失效；誤用失效；正常的磨損(或耗損)失效；外界影響失效。,2按失效的后果分類：惡性失效；致命失效(災(zāi)難性失效)；退化失效。3按失效的程度分類：完全失效；部分失效,l-3失效分析的工作內(nèi)容,失效分析的工作內(nèi)容,失效分析的工作內(nèi)容：包括三個方面（1）失效分析的業(yè)務(wù)工作（即“門診”工作）；（2）失效分析的研究工作（即“機理研究”）；（3）失效分析的管理及技術(shù)反饋工作（即“事后處理”）。一、失效分析的業(yè)務(wù)工作：包括兩個方面產(chǎn)品的失效分析（事后分析）；產(chǎn)品的安全度評定和剩余壽命的預(yù)測（事前分析）。,1）產(chǎn)品的失效分析,（1）失效事件分析的全過程：一般包括三個階段偵測(Detection)診斷(Diagnosis)事后處理(Prognosis)簡稱：DDP，也稱為失效分析工作的三要素。即利用各種“偵測”手段，調(diào)查、偵查、測試和記錄有關(guān)失效的現(xiàn)場、參數(shù)和信息；(現(xiàn)場調(diào)查)通過“診斷”，鑒別和確定產(chǎn)品失效的模式、過程、原因、影響因素和機理；（實驗室研究）經(jīng)過“事后處理”，研究采取補救(服役件)、預(yù)防措施及其它技術(shù)、管理的反饋活動。,（2）產(chǎn)品失效分析的重點：產(chǎn)品的早期失效事件、突發(fā)性失效事件以及致命的失效事件，因這些失效事件的分析事關(guān)重大或關(guān)系到全局。（3）失效分析的深度：依分析目的和要求不同而異。作為法律依據(jù)：主要是要判定失效程度、后果和責任方面；作為整頓質(zhì)量管理的線索和獲得可靠性工程的數(shù)據(jù)：一般希望確定失效發(fā)生的階段、對策等；為研究和掌握產(chǎn)品失效規(guī)律及內(nèi)在本質(zhì)：則應(yīng)著眼于失效模式、機理、影響因素和控制參量的定性或定量的研究。,（4）失效分析的方法和內(nèi)容：按產(chǎn)品發(fā)展階段不同也各不相同。試制階段：失效原因常與設(shè)計因素有關(guān)，應(yīng)與設(shè)計人員密切配備，有利于失效原因正確診斷，且分析結(jié)果能迅速反饋；試生產(chǎn)階段：失效原因多半與工藝因素有關(guān)，應(yīng)與工藝技術(shù)人員相結(jié)合；定型生產(chǎn)階段：失效原因一般與管理因素有關(guān)，應(yīng)著重考查質(zhì)量控制網(wǎng)的健全性、嚴密性和散布度，也應(yīng)將用戶和修理行業(yè)納入到失效分析體系中來。,2）產(chǎn)品的安全度評定和剩余壽命的預(yù)測,（1）產(chǎn)品的安全度或產(chǎn)品的可靠度R(t)：產(chǎn)品的安全度：指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，能夠完成規(guī)定功能的概率。相對于產(chǎn)品失效率F(t)概念而言的，即R(t)1F(t)產(chǎn)品安全度評定：定量地計算產(chǎn)品工作到某一時刻t尚能滿足規(guī)定功能的概率。或者，估算產(chǎn)品工作到某一時刻t，在尚能滿足功能的產(chǎn)品中，在此后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。,產(chǎn)品剩余壽命的預(yù)測：實質(zhì)是偶然失效率的估算問題。產(chǎn)品剩余壽命預(yù)測：即估算產(chǎn)品無失效平均工作時間t。平均工作時間：偶然失效期失效率的倒數(shù)，即tl。,產(chǎn)品安全度評定剩余壽命的預(yù)測都是失效分析重要的業(yè)務(wù)工作之一。,產(chǎn)品安全度評定和剩余壽命預(yù)測工作重點：主要是對重大的機械產(chǎn)品和帶缺陷產(chǎn)品。評定和預(yù)測工作關(guān)鍵：通過可靠性試驗，獲得產(chǎn)品在各種模擬的使用條件和環(huán)境條件下，可能會有哪種失效模式；對產(chǎn)品功能會產(chǎn)生什么影響；嚴重程度如何；發(fā)生失效的概率有多大；應(yīng)如何預(yù)防等方面的資料和數(shù)據(jù)。這些資料和數(shù)據(jù)經(jīng)失效分析來修正后，才使評定和預(yù)測結(jié)果接近于客觀實際。,二、失效分析的研究工作,二、失效分析的研究工作：包括四個方面失效物理的研究；失效機理的研究；失效診斷的研究；失效預(yù)防工程技術(shù)方面的研究。,1）失效物理的研究工作,失效物理（可靠性物理）：在原理上，從原子和分子的角度出發(fā)，來解釋元件、材料失效的現(xiàn)象。失效物理基礎(chǔ)：是數(shù)理統(tǒng)計方法、可靠性工程和材料科學工程學。失效物理基本研究工作內(nèi)容：1.失效物理模型定性及定量的描述方法；2.失效物理模型的識別及其應(yīng)用。,基本的失效物理模型,基本的失效物理模型有：主要有理化模型和概率模型兩類。1、界限模型與耐久模型；2、應(yīng)力強度模型；3、反應(yīng)論模型；4、失效率模型；5、最弱環(huán)模型（串聯(lián)模型）；6、“繩子”模型（并聯(lián)模型、最大壽命系統(tǒng)）；7、退化模型或損傷累積模型等，內(nèi)容十分豐富。,1、界限模型與耐久模型,1、界限模型與耐久模型：界限模型認為：材料失效有以下兩種情況：當應(yīng)力超過某界限時，即引起失效，如彈簧：當應(yīng)力超過材料彈性極限時，發(fā)生永久變形而失效。當能量積累超過某極限時，也會引起破壞，如脆性材料，當裂紋前端積蓄的彈性應(yīng)變能G1大于其臨界值G1c時，裂紋失穩(wěn)擴展而脆斷。耐久模型認為：在能量積累到使產(chǎn)品破壞程度的過程是需要時間的，在此時間內(nèi)，材料本身因蠕變、磨損、疲勞、腐蝕等原因可能出現(xiàn)弱化，故也稱“退化模型”。,2.應(yīng)力強度模型,2.應(yīng)力強度模型:材料力學認為：當外加應(yīng)力超過材料極限強度，失效即刻發(fā)生。經(jīng)典設(shè)計：引入安全系數(shù)，即強度留有余量，但經(jīng)一段時間服役后，材料強度弱化，應(yīng)力就有可能超過材料強度極限，而使材料失效。,3.反應(yīng)論模型,3.反應(yīng)論模型：認為：材料損壞或退化，都因微觀上原子、分子變化引起；“反應(yīng)”：含化學反應(yīng)（熱、介質(zhì)）、物理變化（變形、應(yīng)力、質(zhì)量、磨損、擴散、裂紋擴展等引起內(nèi)部平衡破壞，產(chǎn)生“化學反應(yīng)”、結(jié)構(gòu)變化等原因，當有害的“反應(yīng)”持續(xù)到某限度，失效便發(fā)生。,反應(yīng)前正常態(tài)反應(yīng)后退化態(tài)的過程，所需能量（激活能）。激活能：由外界環(huán)境（“應(yīng)力”）提供的。,4.串聯(lián)模型與最弱環(huán)模型,4.串聯(lián)模型與最弱環(huán)模型：屬于概率模型。設(shè)裝置、系統(tǒng)由n個要素構(gòu)成，且各要素獨立，若其中任一要素失效都會導(dǎo)致系統(tǒng)故障，則該系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)，等價模型為串聯(lián)模型。整體可靠性Rs(t)：為系統(tǒng)各獨立部件的可靠性Ri(t)之積。Rs(t)=R1(t)R2(t)Rn(t)系統(tǒng)失效率：為各部件失效率之和。s(t)=1(t)+2(t)+n(t),1,n,載荷,串聯(lián)模型：恰是鏈條，構(gòu)成鏈條的某一個環(huán)斷了，鏈條也就斷了。這些環(huán)中最弱者（壽命最短者）確定了鏈的壽命。串聯(lián)模型：也稱最弱環(huán)模型、鏈環(huán)模型或最小壽命系統(tǒng)。,5.并聯(lián)模型與繩子模型,并聯(lián)模型：與串聯(lián)模型相反，若系統(tǒng)組成要素中任一個發(fā)生失效，系統(tǒng)照樣能處于可靠狀態(tài)；只有當所有要素同時失效時系統(tǒng)才發(fā)生故障。并聯(lián)系統(tǒng)可靠度：最高，比各要素的可靠度都高，并聯(lián)模型：似“繩子”，由若干細條組成，同時承受載荷。若某一細條斷了，其余各細條承受載荷增加，即各細條間并不完全獨立，故并聯(lián)模型也稱“繩子”模型。,并聯(lián)系統(tǒng)壽命：取決于最可靠的、壽命最長的結(jié)構(gòu)要素，也稱最大壽命系統(tǒng)。,載荷,1,n,2）失效機理的研究工作,失效機理：研究失效的物理、化學原因、失效過程及其影響因素等。失效物理研究：研究各種失效模式（模型）及其應(yīng)用；相當于“病癥”。失效機理研究：研究各種失效本質(zhì)（物理、化學原因）和過程；即“病理”。具體地說，失效機理：主要研究外部因素如：應(yīng)力、溫度和環(huán)境等對失效的影響；研究內(nèi)部因素如：材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能等的影響。,失效機理的研究：不僅對單一的失效機理，要特別加強各種復(fù)合失效機理的研究；如：高溫疲勞、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、疲勞磨損、蠕變疲勞、微振磨損、沖蝕磨損等。失效機理的研究：是失效分析重要的理論基礎(chǔ)。只有在深入研究失效機理的基礎(chǔ)上，才能正確進行的失效分析工作；反過來，大量地、深入地開展實際的失效分析工作，又將進一步加深對錯綜復(fù)雜的復(fù)合失效機理的認識。失效機理研究是基礎(chǔ)，失效分析工作是實踐。,3）失效診斷的研究工作,3）失效診斷的研究工作：失效診斷：就是分析、判斷失效原因的思維學和方法論。失效的診斷研究：一般包括三個方面失效診斷依據(jù)的研究；失效診斷思路的研究；失效診斷技術(shù)與方法的研究等。,失效診斷依據(jù)的研究,失效診斷依據(jù)：由各方面獲得信息，作為綜合判據(jù)。1.產(chǎn)品性能參數(shù)與工況：工況分析及狀態(tài)監(jiān)測和失效診斷密切