機械零部件失效分析的方法和步驟

1、第一章 機械零部件失效分析的方法和步驟1、 失效分析與機械設(shè)計的關(guān)系機械產(chǎn)品喪失其規(guī)定功能的事件稱為機械產(chǎn)品的失效。失效常發(fā)生在產(chǎn)品使用過程中，也發(fā)生在試運轉(zhuǎn)過程中，甚至可能發(fā)生在使用前的存放過程中。以同類產(chǎn)品使用壽命期內(nèi)失效事件總數(shù)為基數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，壽命早期失效率較高，晚期的失效率也較高，而中期較長時間的失效率很低，典型的失效率曲線呈浴盤狀曲線。機械產(chǎn)品的早期失效案例尤其值得重視。它們常常暴露出設(shè)計和制造工藝中各種的欠缺和不當(dāng)，及時的失效分析有利于改進和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。晚期失效分析反應(yīng)出機械產(chǎn)品耗損期的諸多病端失效分析有利于提高產(chǎn)品的使用壽命。針對機械產(chǎn)品失效案例進行的技術(shù)和管理活動稱為

2、失效分析。失效分析的主要內(nèi)容是查明失效的具體原因（失效診斷）和提出預(yù)防和補救措施（失效對策）。失效分析的主要目標(biāo)是防止同類失效事件的再次發(fā)生和提高產(chǎn)品質(zhì)量。機械產(chǎn)品的惡性失效事故造成重大經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡，例如飛機墜落，大型機組毀壞，大型壓力容器爆炸，這種特大事故發(fā)生后，通常開展大規(guī)模的調(diào)查活動。如果確認(rèn)或懷疑事故是由機械零部件失效而造成，就會進行一系列失效分析活動，包括各種試驗和研究工作。由于領(lǐng)導(dǎo)部門重視，投入較大，研究工作深入，常能達到預(yù)期目標(biāo)。中、小型失效事件或事故，也應(yīng)該進行相應(yīng)的失效分析活動。而各單位和廠家對于所發(fā)生失效事件的重視程度有很大的差異。有一些廠家極重視其產(chǎn)品的失效案例

3、，買回典型的失效零部件，進行認(rèn)真分析研究。許多設(shè)計師經(jīng)常調(diào)查所設(shè)計機械設(shè)備使用中失效情況，作為改善設(shè)計的重要依據(jù)?！笆∧顺晒χ浮保怕缘卣f明了失效分析與機械設(shè)計間的關(guān)系。2、 機械產(chǎn)品失效分類機械產(chǎn)品失效分類有兩種主要系統(tǒng)：按照失效類型分類；按照失效原因分類。機械產(chǎn)品失效類型有五大類：變形、斷裂、腐蝕、磨損和老化。還可以進一步細(xì)分為更多的類型，斷裂失效可分為塑性斷裂、脆性斷裂、環(huán)境促進斷裂和高溫斷裂。還有一些復(fù)合的失效類型，例如微動腐蝕疲勞是磨損、化學(xué)腐蝕和疲勞斷裂的綜合。機械產(chǎn)品失效原因分為四大類：設(shè)計不當(dāng)、制造工藝不當(dāng)、材料冶金缺陷和使用操作失誤。每一類中都有其具體原因，例如制造工藝不

4、當(dāng)可能涉及切削加工、熱處理、電鍍或裝配的具體工藝。確定失效原因是一項復(fù)雜的工作，涉及的學(xué)科門類寬廣；當(dāng)機械設(shè)備毀壞嚴(yán)重時，查找證據(jù)困難；失效原因認(rèn)定涉及到事故責(zé)任單位和責(zé)任，經(jīng)常發(fā)生爭議和互相推諉。失效分析是依據(jù)試驗結(jié)果和證據(jù)作出結(jié)論，失效分析工作者必須堅持客觀性和公正性。上述四類失效原因也可分為兩類。前三類原因都與機械產(chǎn)品品質(zhì)有關(guān)，由機械設(shè)計和制造單位負(fù)責(zé)，簡稱為機械失效。操作原因造成的失效，一般與產(chǎn)品品質(zhì)無直接因果關(guān)系，由產(chǎn)品的使用單位負(fù)責(zé)。對于各類機械產(chǎn)品的失效原因，有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門或研究單位會發(fā)布一定時期內(nèi)各類失效原因的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可供參考。例如：美國空軍發(fā)布的一項3824次飛機失效事件統(tǒng)計

5、時，操作原因占41%，機械失效約占43%，氣象原因占3%，不明原因占13%。3、 失效分析的步驟失效分析的實施步驟旨在保證這項活動順利的進行和完成。下面推薦通用的失效分析實施步驟，可供參考。由于每個失效事件的重要程度和規(guī)模大小不同，對失效分析的要求和步驟也會有所不同。31 收集背景資料和偵查失效現(xiàn)場 失效現(xiàn)場必須注意保護，等待有關(guān)人員進行偵查。失效現(xiàn)場的一切證據(jù)應(yīng)該維持原狀，完整無缺和真實不偽，這是保證失效分析順利進行的先決條件。對于公路和鐵路事件，由于要保持交通順暢需要采取一定措施，但是保護失效現(xiàn)場的原則仍需執(zhí)行。偵查失效現(xiàn)場采用目視檢查、照相、錄像、測量、繪圖和文字描述等方法。初步檢查失效

6、零部件的外觀特征，注意其附近的碎片、殘留物和可疑痕跡。收集背景資料是指機械設(shè)備的服役歷史，不正常工況，設(shè)計資料，制造工藝記錄和檢驗記錄等。也要收集該類設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)場偵查的基礎(chǔ)上，挑選和收集供進一步檢查和試驗用的實物和試樣。32失效零部件的初步檢查初步檢查是現(xiàn)場偵查的繼續(xù)和深化，目標(biāo)是確定肇事零件和初步判斷失效類型。并且據(jù)此確定下一步的試驗項目和整個活動的計劃。當(dāng)整臺機械設(shè)備遭到破壞時，可能有多個零件嚴(yán)重變形、斷裂和磨損。其中的多數(shù)零件屬于被動破壞件，必須找到哪一個或幾個零件是肇事件。肇事件一般是首先損壞件。初步檢查依循兩條途徑：一方面根據(jù)機械設(shè)備工作原理進行推理分析；另一方面對失效零部

7、件進行細(xì)致的目初檢查，篩選和縮小對肇事件的懷疑范圍。33實驗室試驗工作在初步檢查的基礎(chǔ)上，根據(jù)失效案例的重要性和復(fù)雜程度，確定實驗室試驗項目。試驗用的試件和樣品主要取自失效零件、碎片和其它殘留物?？晒┻x取的試驗項目如下：1） 無損探傷，用于檢查零件表面和內(nèi)部的裂紋和缺陷。常用的無損探傷方法有：X光法、磁粉法、熒光法和超聲波法等，它們有各自的適用范圍。2） 力學(xué)性能試驗，包括拉伸試驗，室溫和低溫沖擊試驗、疲勞試驗、斷裂韌性試驗等。3） 化學(xué)分析，用于檢驗零件材料和環(huán)境介質(zhì)化學(xué)成分。4） 金相試驗，用于檢驗零件材料的顯微組織和缺陷。5） 斷口試驗，包括宏觀斷口觀察和電子顯微鏡斷口觀察兩個方面。6）

8、 腐蝕零件和磨損零件掃描電子顯微鏡表面觀察。7） 核算失效零部件的載荷和應(yīng)力，進行實驗應(yīng)力分析，測定宏觀殘余應(yīng)力。34確定失效原因和失效類型這是失效分析的核心環(huán)節(jié)和基本目的。首先確定失效類型，對于查找失效原因有指導(dǎo)作用。如果確定某個零件屬于疲勞斷裂，并且找到了裂紋起源位置，那么就有利于查找具體的失效原因：零件該部位的細(xì)節(jié)設(shè)計有否不當(dāng)；有無制造工藝缺陷和材質(zhì)缺陷；零部件和系統(tǒng)有無振動等。無論確定失效類型還是確定失效原因，都要有試驗和檢查所獲得的數(shù)據(jù)、資料和照片作為證據(jù)。重大案例的失效原因常非單一因素造成，而是多種因素綜合作用的結(jié)果，但是應(yīng)該力爭分清主次。也存在一些疑難案例，查不清確切的失效原因，

9、例如嚴(yán)重?fù)p毀的機組中找不到肇事零件；或者目前的檢測技術(shù)和認(rèn)識水平尚達不到預(yù)定目標(biāo)。35完成失效分析報告報告中列出和分析全部重要證據(jù)，作出規(guī)范化的結(jié)論，相應(yīng)地指出預(yù)防同類零件失效的預(yù)防措施和對失效零件的補救措施。4、 失效分析的試驗方法41裂紋觀察在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)裂紋的情況下，應(yīng)對裂紋進行宏觀觀察和金相觀察。宏觀觀察的目標(biāo)是查明首先形成的裂紋，裂紋走向和裂源位置。金相觀察的目標(biāo)是查明裂紋屬于穿晶裂紋或沿晶裂紋、以及裂紋與其它顯微組織的關(guān)系。當(dāng)失效零件上存在許多裂紋或裂成多塊碎片時，重要的任務(wù)是查明哪條裂紋是首先形成的，并確定裂紋走向和裂源位置。判斷時依據(jù)T形法和分叉法兩條原則。對于呈T形分布的兩條裂紋

10、，必定是T形頂部的那條裂紋先形成，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先追蹤，即向裂紋兩頭追查是否有更先形成的裂紋，直至追蹤到裂源位置。對于分枝裂紋，必定是主干裂紋先形成，然后形成分枝。沿著主干裂紋無分枝方向查找裂紋的起源點。存在較嚴(yán)重腐蝕和氧化跡象的裂紋，被優(yōu)先懷疑為先形成的裂紋。將這種裂紋打開和獲得斷口，依據(jù)斷口上腐蝕色澤深淺，更有助于判斷該裂紋是否首先形成。裂紋金相觀察需要先制備金相試樣。一般取細(xì)小裂紋或裂紋尖端部位，垂直于裂紋面切取試樣，拋光，浸蝕顯示晶界或顯微組織。在光學(xué)顯微鏡下觀察裂紋途徑與晶粒的關(guān)系，沿晶界途徑者為沒晶裂紋；穿越晶粒內(nèi)部者為穿晶裂紋；或者穿晶和沿晶混合裂紋。普通的疲勞斷裂和塑性斷裂均以穿晶裂紋

11、為主。當(dāng)觀察到較多的沿晶裂紋時，一般都存在某種特殊因素，例如環(huán)境、高溫或材料脆化等因素。裂紋金相觀察時，也要注意微觀裂紋途徑與夾雜物或顯微組織間的關(guān)系。42宏觀斷口觀察斷裂形成的表面稱為斷口，如果零件上的裂紋尚未造成整體斷開，則可以人為的打開裂紋，獲得斷口。斷口上真實的記錄著斷裂失效過程的歷史和各種信息，包括裂紋的起始點、擴展過程、內(nèi)外因素等影響。斷口觀察分析就是設(shè)法解讀出這些信息。斷口觀察和分析是機械零部件斷裂失效分析的核心和向?qū)?，指引著少走彎路和直達預(yù)定目標(biāo)。斷口觀察分為宏觀觀察和微觀觀察兩類。宏觀觀察是基礎(chǔ)；微觀觀察是進一步深入研究。宏觀斷口觀察由目視或低倍實體顯微鏡進行，后者的放大倍數(shù)

12、由數(shù)倍到數(shù)十倍，可用于觀察凹凸不平的斷口表面。掃描電子顯微鏡雖然是微觀觀察的設(shè)備，但是也可以在20倍左右觀察和照相。目視和低倍觀察比較直觀，有利于了解整個斷口的全面情況。宏觀斷口上有五項要素可供觀察：粗糙度、線紋、色澤、傾斜度（斷口面與最大主應(yīng)力間的夾角）、材料缺陷。進行宏觀斷口觀察力爭達到下列目標(biāo)：1、判斷哪些是首先斷裂件；2、初步判定斷裂類型、斷源位置和裂紋走向；3、判斷材料的韌性高低和冶金品質(zhì)；4、估計零件所受的載荷種類和應(yīng)力高低；5、提供關(guān)于失效原因的線索。（1） 斷口粗糙度斷口粗糙度反應(yīng)斷裂過程中反應(yīng)材料塑性變形的程度。在正斷口（斷口面垂直于最大主應(yīng)力方向）上，有三種典型的粗糙度形貌

13、：1、“纖維狀”斷口；2、“顆粒狀”斷口；3、粗糙度較低的平坦斷口?！袄w維狀”斷口呈現(xiàn)較高粗糙度，塑性斷裂形成這種斷口?！邦w粒狀”斷口屬于脆性斷口，“顆?！泵孑^平坦，部分面有反光面性，低溫快速斷裂和回火脆性斷裂形成這類斷口。粗糙度較低的斷口比較平坦，反應(yīng)斷裂過程中塑性變形較小，某些脆性斷裂和疲勞斷裂形成這類斷口。低周疲勞的應(yīng)力水平較高，其斷口粗糙度也較高，接近于“纖維狀”斷口的情況。斜斷口（近似平行于最大切應(yīng)力方向）的粗糙度較低，這是剪切斷裂形成的，但是屬于塑性斷裂。（2） 斷口上的線紋斷口上的線紋是裂紋擴展過程中形成的，分為兩類：1、垂直于裂紋擴展方向的線紋，主要指疲勞弧線；2、代表裂紋擴展

14、方向的線紋，即放射紋和人字紋。疲勞弧線又稱海灘花樣，是疲勞斷裂的一種宏觀斷口特征。由零件載荷譜變化而形成。每條弧線代表某時刻裂紋前沿線的位置，并且垂直于裂紋擴展方向。在疲勞裂紋擴展試驗中發(fā)現(xiàn)，施加一次較大過載會造成裂紋擴展受阻滯，并在宏觀斷口上留下一條線紋。放射紋是從裂源附近放射出的一組線紋，也稱放射花樣，它是由于相鄰區(qū)裂紋面處在不同水平上面形成的撕裂帶。裂紋擴展越快，放射線紋越清晰明顯。脆性斷口上常有明顯的放射紋；疲勞斷口和塑性斷口也可能有較短的放射紋。當(dāng)零件厚度較小或裂紋高速擴展時，宏觀斷口上常呈現(xiàn)人字紋花樣，大量人字形線紋有規(guī)律地排列成行。鋼板零件冷脆斷裂和壓力容器爆炸時常形成這類線紋。實際上人字紋是放射紋的變種，兩者形成原因相同。順著人字形頭部方向可以追溯裂紋源位置，逆向為裂紋擴展的宏觀方向。（3） 斷口色澤塑性斷口較粗糙而色澤較暗，常呈暗灰色；脆性斷口常呈淺灰色。斷口的特殊色彩由高溫氧化形成，據(jù)此可以初步判定零件斷裂時的溫度。如果局部斷口的腐蝕色遠(yuǎn)深于其它部位，說明它是陳舊裂紋，形成在先，或者形成于制造過程中，有可能是失效原因之一。（4） 斷口面的傾斜度斷口面傾斜度分為兩類：正斷口與零件的最大主應(yīng)力方向相垂直；斜斷口以稱剪切唇口，呈近似45傾角，平行于最大切應(yīng)力方向。斜斷口屬于剪切斷裂；正斷口是拉應(yīng)力導(dǎo)致的斷口。脆性斷口基本上為正斷口，其剪切唇口很小。塑性斷口常有正斷