張崢-失效與失效分析培訓(xùn)

1、北航1失效分析程序和思路北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張崢北航2失效的概念 GB3187-82中定義，產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。對可修復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障。結(jié)構(gòu)、零件或機(jī)器的形狀、尺寸或材料性能發(fā)生改變，不能滿意地執(zhí)行預(yù)期的功能。機(jī)械失效主要包括變形、斷裂、腐蝕、磨損。 突發(fā)性、漸進(jìn)性和間歇性。北航3失敗失敗成功成功知識的探索和創(chuàng)新知識的探索和創(chuàng)新 失效是成功之母人類的進(jìn)化和發(fā)展人類的進(jìn)化和發(fā)展 科技的進(jìn)步和提高科技的進(jìn)步和提高 失效分析預(yù)測預(yù)防失效分析預(yù)測預(yù)防 技術(shù)進(jìn)步過程中會出現(xiàn)失效北航4失效率使用時間早期失效區(qū)隨機(jī)失效區(qū)耗損失效區(qū)機(jī)械產(chǎn)品失效率與人得病概率一致北航5失效是不可避免的，失效不一

2、定是壞事 美國國家運(yùn)輸安全委員會(NTSB) 認(rèn)為, 人的認(rèn)識有局限性, 隨著時間的推移, 科技水平的提高, 人們認(rèn)識事物本質(zhì)的水平也在不斷提高。人們對事物的認(rèn)識是不斷深化、逐步逼近事物本來面目的無限循環(huán)過程。 失效的認(rèn)識論上的原因是人的主觀認(rèn)識與客觀事物的本質(zhì)相脫離的結(jié)果。因?yàn)槿说恼J(rèn)識是相對真理，而客觀事物的本質(zhì)是絕對真理，人的認(rèn)識過程是人認(rèn)識的相對真理不斷逼近客觀事物本質(zhì)的絕對真理的過程，因此人的認(rèn)識總是相對的，而客觀事物是絕對的，失效是不可避免的，是人類認(rèn)識客觀真理過程中永恒的主題。北航6汽車零件失效的幾種形式 一、磨損 零件摩擦表面的金屬在相對運(yùn)動過程中不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損，它包括物

3、理的、化學(xué)的、機(jī)械的、冶金的綜合作用。對于一個表面的磨損，可能是由于單獨(dú)的磨損機(jī)理造成的，也可能是由于綜合的磨損機(jī)理造成的。磨損的發(fā)生將造成零件形狀、尺寸及表面性質(zhì)的變化，使零件的工作性能逐漸降低。 二、腐蝕 金屬零件的腐蝕是指表面與周圍介質(zhì)起化學(xué)或電化學(xué)作用而發(fā)生的表面破壞現(xiàn)象。腐蝕損傷總是從金屬表面開始 ，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形發(fā)生變化，出現(xiàn)不規(guī)則形狀的凹洞、斑點(diǎn)等破壞區(qū)域。腐蝕的結(jié)果使金屬表面產(chǎn)生新物質(zhì)，時間長久將導(dǎo)致零件被破壞。北航7汽車零件失效的幾種形式 三、斷裂 斷裂是零件在機(jī)械力、熱、腐蝕等單獨(dú)或聯(lián)合作用下，發(fā)生局部開裂或分成幾部分的現(xiàn)象。斷裂是零件破壞的重要原因

4、，它是金屬材料在不同情況下，當(dāng)局部裂紋發(fā)展到零件裂縫尺寸時，剩余截面所承受的外載荷超過其強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的完全斷裂。斷裂是零件使用過程中的一種最危險的破壞形式。斷裂往往會造成重大事故，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。北航8汽車零件失效的幾種形式 四、變形 多年的維修實(shí)踐證實(shí)，雖然將磨損的零件進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)了原來的尺寸、形狀和配合性質(zhì)，但裝配后仍達(dá)不到預(yù)期的效果。出現(xiàn)這種情況，通常是由于零件變形，特別是基礎(chǔ)零件變形，使零部件之間的相互位置精度遭到破壞，影響了各組成零件之間的相互關(guān)系。在高科技迅速發(fā)展的今天，變形問題將越來越突出，它已成為維修質(zhì)量低、大修周期短的一個重要原因。北航9失效分析的概念判斷失效模式、查找失效

5、的原因和機(jī)理，提出防止類似事故再次發(fā)生的技術(shù)活動和管理活動。北航失效分析的概念失效分析是一個十分復(fù)雜的過程，特別是一個大系統(tǒng)的失效，一般工作條件復(fù)雜、可疑點(diǎn)較多、難度也大，對失效人員的要求是知識面要廣，并具有一定深度，以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科，涉及材料學(xué)、力學(xué)、摩擦學(xué)、腐蝕學(xué)和機(jī)械制造工藝。北航11失效分析的概念氫脆、應(yīng)力腐蝕、回火脆、過熱過燒、蠕變氫脆、應(yīng)力腐蝕、回火脆、過熱過燒、蠕變北航12失效分析的作用飛機(jī)材料由于缺陷在不同階段所造成損失的例子：草圖階段損失為1生產(chǎn)階段再發(fā)現(xiàn)損失為10終檢階段損失為100出廠使用后損失為1000帶入產(chǎn)品改型損失為10000因缺陷失事?lián)p失

6、達(dá)10萬至100萬北航13失效分析的作用1、失效分析可以減少和預(yù)防機(jī)械產(chǎn)品同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，從而減少經(jīng)濟(jì)損失和提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量北航14失效分析的作用2、失效是產(chǎn)品質(zhì)量控制網(wǎng)發(fā)生偏差的反映，失效分析是可靠性工程的重要基礎(chǔ)技術(shù)工作，是機(jī)械產(chǎn)品全面質(zhì)量管理中重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。 北航15失效分析的作用3、失效分析可為裁決事故責(zé)任、偵破犯罪案件、開展技術(shù)保險業(yè)務(wù)、修改和制訂產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面提供可靠科學(xué)技術(shù)依據(jù)北航16失效分析的作用4、失效分析可為技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步提供信息、方向、途徑和方法 5、失效分析可為各 級領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行宏觀經(jīng)濟(jì) 和技術(shù)決策提供重要 的科學(xué)的信息來源。北航17現(xiàn)行

7、預(yù)計的設(shè)計可能產(chǎn)生的失效模式 分析分析對顧客的影響 哪些原因可能造成這個失效模式 每個原因造成這個失效模式的的可能性采取可行的對策 北航18服役周期失效延壽服役斷裂失效機(jī)理及重大事故失效分析材料腐蝕與老化失效檢測技術(shù)應(yīng)用研究安全評估技術(shù)壽命預(yù)測技術(shù)修復(fù)技術(shù)北航19 失效的發(fā)生有多方面的原因，其中包括管理、制造和操作等。例如，19771986年間空軍嚴(yán)重飛行事故統(tǒng)計結(jié)果事故原因操縱制造維護(hù)翻修指揮不明比例（%）56.112.84.72.718.15.6北航20北航21如何做好失效分析工作 失效分析程序與思路至關(guān)重要 失效分析工作強(qiáng)調(diào)思路的正確性和技術(shù)手段的巧妙性北航22失效分析的程序1、現(xiàn)場及相

8、關(guān)信息的收集2、初步確定肇事件3、制定具體分析思路和工作程序4、初步判斷肇事件的失效模式5、查找失效的原因6、綜合性分析7、總結(jié)報告北航23哥倫比亞飛機(jī)從哥倫比亞飛機(jī)從California上空再入后，其軌跡通過了上空再入后，其軌跡通過了Nevada, New Mexico, 在在Texas北部上空解體，可以看到飛機(jī)殘骸和碎片逐漸離去。北部上空解體，可以看到飛機(jī)殘骸和碎片逐漸離去。北航24l 共共17,400個電話、個電話、電子郵件、報告等。電子郵件、報告等。l 見了見了2,900個目擊證人個目擊證人l 收到收到700分照片和錄像分照片和錄像以及報告以及報告調(diào)查組從調(diào)查組從20032月月1日到日

9、到4月月4日日北航25在肯尼迪航天中心，把在得克薩斯州和路易斯安納州歷時四個在肯尼迪航天中心，把在得克薩斯州和路易斯安納州歷時四個月收集來的月收集來的8.4萬片大約萬片大約38飛機(jī)飛機(jī)的的殘骸進(jìn)行分類和重新組裝。殘骸進(jìn)行分類和重新組裝。為了查清原因，為了查清原因，首先由首先由NASA支持組成了調(diào)支持組成了調(diào)查組，由材料查組，由材料和工藝的工程和工藝的工程師和科學(xué)家組師和科學(xué)家組成。成。北航26左側(cè)下翼碎片左側(cè)下翼碎片右側(cè)下翼碎片右側(cè)下翼碎片從哥倫比亞航天飛機(jī)左及右側(cè)恢復(fù)的碎片量比較。從哥倫比亞航天飛機(jī)左及右側(cè)恢復(fù)的碎片量比較。在輪子前左右相當(dāng)，在輪子后左右相差很大。在輪子前左右相當(dāng)，在輪子后左

10、右相差很大。左、右兩翼殘骸數(shù)量對比左、右兩翼殘骸數(shù)量對比北航27 殘骸清洗和評估，尋找航天飛機(jī)爆炸可能殘骸清洗和評估，尋找航天飛機(jī)爆炸可能的起源；的起源； 對機(jī)翼上各種材料進(jìn)行冶金、金相和熱分對機(jī)翼上各種材料進(jìn)行冶金、金相和熱分析；析； 計算機(jī)模擬空氣動力學(xué)及熱力學(xué)模擬；計算機(jī)模擬空氣動力學(xué)及熱力學(xué)模擬； 收集在機(jī)翼上的傳感器和錄音機(jī)和圖像的收集在機(jī)翼上的傳感器和錄音機(jī)和圖像的結(jié)果。結(jié)果。 再現(xiàn)的沖擊再現(xiàn)的沖擊RCC面板試驗(yàn)面板試驗(yàn)由以上的分析判斷航天飛機(jī)爆炸的起源。由以上的分析判斷航天飛機(jī)爆炸的起源。北航28 航天飛機(jī)在升空約航天飛機(jī)在升空約81.7秒時，從外貯秒時，從外貯燃料箱上掉下一塊燃

11、料箱上掉下一塊隔熱泡沫砸到左翼隔熱泡沫砸到左翼碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料RCC8、RCC9號面號面板下半部，在此形板下半部，在此形成裂縫，但這種現(xiàn)成裂縫，但這種現(xiàn)象卻沒有實(shí)時發(fā)現(xiàn)象卻沒有實(shí)時發(fā)現(xiàn) 固體燃料助推火箭固體燃料助推火箭外貯燃料箱外貯燃料箱航天飛機(jī)裂縫是怎么產(chǎn)生的？航天飛機(jī)裂縫是怎么產(chǎn)生的？北航29隔熱泡沫掉到左機(jī)翼面板上的軌跡隔熱泡沫掉到左機(jī)翼面板上的軌跡計算機(jī)模擬的軌跡計算機(jī)模擬的軌跡錄像記錄的軌跡錄像記錄的軌跡北航失效分析的思路 失效分析全過程的思維路線。是指在思想中以機(jī)械失效的規(guī)律為理論依據(jù)，把通過調(diào)查、觀察和實(shí)驗(yàn)獲得的失效信息分別加以考察，然后有機(jī)結(jié)合起來做為一個統(tǒng)一整體綜合

12、考察，以獲取的客觀事實(shí)為證據(jù)，全面應(yīng)用邏輯推理的方法，來判斷失效事件的失效模式，并推斷失效原因。北航思路原因、中間現(xiàn)象、結(jié)果 順藤摸瓜 順藤找根 順瓜摸藤 順根摸藤 瓜藤根 根藤瓜 藤根，藤瓜北航失效分析時要關(guān)注的零件 當(dāng)前失效件 潛在失效件 過去失效件北航殘骸分類 肇事失效件泛指直接其他機(jī)件失效的機(jī)件；特指直接機(jī)械失效甚至造成機(jī)械事故的機(jī)件。 相關(guān)失效件泛指對其他機(jī)件的失效有直接影響的機(jī)件。北航殘骸分類 受害失效件泛指受其他機(jī)件失效的危害而失效的機(jī)件，而該機(jī)件對其他機(jī)件的失效卻沒有直接影響。 直接受害失效件特指事故發(fā)生前受肇事件的危害而失效的機(jī)件。北航殘骸分類 被破壞件特指事故發(fā)生時被破壞而

13、失效的機(jī)件。 獨(dú)立失效件泛指與其他機(jī)件失效無關(guān)的失效機(jī)件。特指事故或機(jī)械失效發(fā)生之前，已經(jīng)失效的機(jī)件，但它對事故的發(fā)生或機(jī)械的失效并無影響。北航殘骸分類 首先斷裂件泛指機(jī)械中第一個發(fā)生斷裂失效的機(jī)件。特指事故或機(jī)械失效過程中第一個斷裂件。 首先失效件泛指機(jī)械中第一個發(fā)生失效的機(jī)件。北航北航北航北航失效分析的思路1、撒大網(wǎng)逐個因素排除的思路操作人員、機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)、材料、制造工藝、環(huán)境和管理2、失效樹（故障樹）3、邏輯推理演繹推理、歸納推理、類比推理等北航41延性斷裂材質(zhì)工藝引起延性斷裂引起延性斷裂設(shè)計材質(zhì)工藝復(fù)查設(shè)計復(fù)核嚴(yán)重超載引起延性斷裂使用受力分析熱加工失效金相組織力學(xué)性能檢查冷加工失效尺寸

14、表面質(zhì)量檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計失誤設(shè)計復(fù)核選材失誤材料強(qiáng)度復(fù)核北航42失效率失效率使用時間早期失效區(qū)隨機(jī)失效區(qū)耗損失效區(qū)浴盆曲線如何應(yīng)用!北航43 50CrVA是一種典型的彈簧鋼，具有韌性好、疲勞強(qiáng)度高、淬透性好和熱敏感性低等優(yōu)點(diǎn)。某廠生產(chǎn)的50CrVA汽車用扭桿設(shè)計壽命為500萬次，在前期對扭桿樣件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞性能測試，結(jié)果部分扭桿在循環(huán)30萬次左右即發(fā)生斷裂。試驗(yàn)頻率2.5Hz，扭轉(zhuǎn)角度為7。50CrVA扭桿斷裂原因分析北航44Fatigue source 1Fatigue source 2Inclusion and hole北航45 扭桿扭轉(zhuǎn)疲勞安全系數(shù)0.6071.012。 對汽車扭桿的優(yōu)化設(shè)計

15、中都取n=1.25。 對比說明試驗(yàn)設(shè)計的安全系數(shù)偏小，扭桿實(shí)際所受剪應(yīng)力超過了其許用應(yīng)力值，致使疲勞壽命降低。 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)不能達(dá)到預(yù)期疲勞壽命最主要的原因是疲勞試驗(yàn)時所選的扭轉(zhuǎn)角度過大。北航46斷裂邊齒北航47 北航48 北航49失效分析的思路采用類比推理或邏輯推斷的思路北航Instron 疲勞試驗(yàn)機(jī)疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)失效分析預(yù)測預(yù)防研究所失效分析預(yù)測預(yù)防研究所Amsler 疲勞試驗(yàn)機(jī)USF 2000 超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)疲勞試驗(yàn)應(yīng)力/MPa頻率/Hz應(yīng)力比設(shè)計總壽命/次1低周疲勞10005-19,9832高周疲勞71020-1142,0143高頻疲勞710120-135,5004超聲疲勞50020,000-18.48107材料強(qiáng)韌化及損傷機(jī)理北航表面噴丸超聲疲勞試樣斷口分析“魚眼”內(nèi)擴(kuò)展區(qū)瞬斷區(qū)ODA區(qū)“魚眼”外擴(kuò)展區(qū)源區(qū) 斷口低倍形貌 斷口源區(qū)形貌 表面噴