1、第第3章失效分析基本方法章失效分析基本方法主讲教师：伍颖主讲教师：伍颖 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2在前面的章节已经学习了失效分析的基础知识，对失效分析已经在前面的章节已经学习了失效分析的基础知识，对失效分析已经有了一个初步地了解；失效分析是一个非常有用的科学方法，为实际有了一个初步地了解；失效分析是一个非常有用的科学方法，为实际工程问题提供了技术保障和方法指导。在本章，需要对以下问题进行工程问题提供了技术保障和方法指导。在本章，需要对以下问题进行深入学习。深入学习。1、失效分析的思路与方法；、失效分析的思路与方法；2、失效分析的程序与步骤；、失效分析的程序与步骤；3、断口分析方
2、法。、断口分析方法。引言引言中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学33.1失效分析的思路与方法失效分析的思路与方法3.2失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤3.3断口分析断口分析主要内容主要内容中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学43.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法3.1.1 失效分析的思想方法失效分析的思想方法知识点知识点1 失效分析的基本原则。失效分析的基本原则。失效分析的理论、技术和方法的核心是其思维学、推理法则和方法论。失效分析的理论、技术和方法的核心是其思维学、推理法则和方法论。在实际工作中，应遵守并能正确运用以下基本原则。在实际工作中，应遵守并能正确运用以下
3、基本原则。1、整体观念原则；、整体观念原则；2、从现象到本质的原则；、从现象到本质的原则；3、动态原则；、动态原则；4、一分为二原则、一分为二原则(两分法原则两分法原则)；5、纵横交汇原则、纵横交汇原则(立体性原则立体性原则)除上述基本原则外，在分析方法上还应当注意以下几点：除上述基本原则外，在分析方法上还应当注意以下几点：a、尽可能采用比较方法；、尽可能采用比较方法；b、历史方法；、历史方法；c、逻辑方法。、逻辑方法。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学5知识点知识点2 相关性分析的思路及方法。相关性分析的思路及方法。所谓相关性分析思路，是从失效现象寻找失效原因或所谓相关性分析思路，是从
4、失效现象寻找失效原因或“顺藤摸瓜顺藤摸瓜”的分析思路。一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效的分析思路。一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。常用的有以下几种具体的分析方法。分析中。常用的有以下几种具体的分析方法。1、按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法、按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法为了分析断裂原因通常依次进行如下的分析工作。为了分析断裂原因通常依次进行如下的分析工作。(1)审查设计；审查设计； (2)材料分析；材料分析；(3)加工制造缺陷分析；加工制造缺陷分析；(4)使用及维护情况分析。使用及维护情况分析。3.1.2 相关性分析的思路及方法相关性分
5、析的思路及方法中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学62根据产品失效形式及失效模式分析的思路及方法根据产品失效形式及失效模式分析的思路及方法根据零件失效的表现形式进一步分析失效模式，然后分析导致这种失根据零件失效的表现形式进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。3“四四M”分析思路及方法分析思路及方法所谓所谓“四四M”分析法，是指将分析法，是指将Man(人人)、Machine(机器设备机器设备)和和Media(环环境介质境介质)和和Management(管理管理)作为一个统一的系统进行分析的方法。依
6、作为一个统一的系统进行分析的方法。依此分别进行如下四方面的分析工作。此分别进行如下四方面的分析工作。(1)操作人员情况的分析；操作人员情况的分析；(2)环境情况的分析；环境情况的分析；(3)设备情况的分析；设备情况的分析； (4)管理情况的分析。管理情况的分析。3.1.2 相关性分析的思路及方法相关性分析的思路及方法中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学73.1.3 系统工程的分析思路及方法系统工程的分析思路及方法知识点知识点3 系统工程的分析思路及方法。系统工程的分析思路及方法。系统工程系统工程(SystemEngineering)是一门综合技术，它综合运用多是一门综合技术，它综合运用多种
7、现代科学技术，并与各领域的具体问题相结合，从而应用于各种现代科学技术，并与各领域的具体问题相结合，从而应用于各个领域。个领域。失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。间的定量关系。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学83.1.3 系统工程的分析思路及方法系统工程的分析思路及方法失效
8、系统工程分析法的类型失效系统工程分析法的类型失效系统工程分析法主要有以下几种类型：失效系统工程分析法主要有以下几种类型：(1)故障树分析法故障树分析法(简称简称FTA法法)。(2)特征一因素图分析法。特征一因素图分析法。(3)事件吋序树分析法事件吋序树分析法(简称简称ETA法法)。(4)故障率预测法。故障率预测法。(5)失效模式及后果分析法失效模式及后果分析法(简称简称FMEA法法)。(6)模糊数学分析法。模糊数学分析法。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学93.1.3 系统工程的分析思路及方法系统工程的分析思路及方法知识点知识点4 事故树分析发的工作程序。事故树分析发的工作程序。1)确定
9、不希望发生的事件确定不希望发生的事件(上端事件上端事件)；2)对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进行分析；对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进行分析；3)采用手工或计算机合成故障树；采用手工或计算机合成故障树；4)求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目基本事件集合；求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目基本事件集合；5)收集计算时必需的故障率数据；收集计算时必需的故障率数据；6)计算上端事件发生的概率；计算上端事件发生的概率；7)对基本事件的重要度作评价；对基本事件的重要度作评价； 8)分析计算结果，提出改进措施。分析计算结果，提出改进措施。中国地质大学远程教学中国地质大学
10、远程教学103.1.4 数理统计分析思路及方法数理统计分析思路及方法并行工程并行工程(ConcurrentEngineering，CE)是美国在是美国在20世纪世纪80年代末年代末提出、在提出、在20世纪世纪90年代重点发展的武器研制工程技术，是一种用来年代重点发展的武器研制工程技术，是一种用来综合、协调产品的设计及其相关过程包括制造和保障工程的系统方综合、协调产品的设计及其相关过程包括制造和保障工程的系统方法，它要求研制人员从一开始就考虑从方案设计直到废弃的产品寿法，它要求研制人员从一开始就考虑从方案设计直到废弃的产品寿命周期的所有要素，包括质量、费用、进度和用户要求。其特点是：命周期的所有
11、要素，包括质量、费用、进度和用户要求。其特点是：在前一阶段工作中考虑后续阶段及总体结果；在前一阶段工作中考虑后续阶段及总体结果；后续阶段中的双向信息流，亦即在两个阶段或两个子工程人员之后续阶段中的双向信息流，亦即在两个阶段或两个子工程人员之间有信息交流；间有信息交流；不同阶段或不同子工程之间随时解决矛盾和不协调问题。不同阶段或不同子工程之间随时解决矛盾和不协调问题。目录中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学113.2 失效分析的程序及步骤失效分析的程序及步骤3.2.1 分析程序的意义分析程序的意义失效分析是一项复杂的技术工作，它不仅要求失效分析工作人员具失效分析是一项复杂的技术工作，它不仅要
12、求失效分析工作人员具备多方面的专业知识，而且要求多方面的工程技术人员、操作者及备多方面的专业知识，而且要求多方面的工程技术人员、操作者及有关科学工作者的相互配合，才能圆满地解决问题。有关科学工作者的相互配合，才能圆满地解决问题。一般说来，在明确了失效分析的总体要求和目标之后，失效分析程一般说来，在明确了失效分析的总体要求和目标之后，失效分析程序大体上包括：调查失效事件的现场；收集背景材料，深入研究分序大体上包括：调查失效事件的现场；收集背景材料，深入研究分析，综合归纳所有信息并提出初步结论；重现性试验或证明试验，析，综合归纳所有信息并提出初步结论；重现性试验或证明试验，确定失效原因并提出建议措
13、施；最后写出分析报告等内容。确定失效原因并提出建议措施；最后写出分析报告等内容。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学123.2.2 失效分析的步骤失效分析的步骤知识点知识点5 失效分析的步骤。失效分析的步骤。1、现场调查；、现场调查； 2、收集背景材料；、收集背景材料；3、技术参量复验；、技术参量复验； 4、深入分析研究；、深入分析研究；5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论；、综合分析归纳，推理判断提出初步结论；6、重现性试验或证明试验；、重现性试验或证明试验；7、撰写失效分析报告。、撰写失效分析报告。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学133.2.2 失效分析的步骤失效分析的步骤知
14、识点知识点6 机械产品的失效分析报告的内容。机械产品的失效分析报告的内容。机械产品的失效分析报告通常应包括如下内容：机械产品的失效分析报告通常应包括如下内容：(1)概述；概述；(2)失效事件的调查结果；失效事件的调查结果；(3)分析结果；分析结果；(4)问题讨论；问题讨论；(5)结论与建议。结论与建议。目录中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学143.3 断口分析断口分析断裂是机械产品工程事故中较为多见而且危害最大的失效形式。断断裂是机械产品工程事故中较为多见而且危害最大的失效形式。断裂件的断口分析是断裂失效分析的主要内容。裂件的断口分析是断裂失效分析的主要内容。断口分析，是用肉眼、低倍放大
15、镜、实体显微镜、电子显微镜、电断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱仪等仪器设备，对断口表面子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱仪等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。与致断因素的内在联系。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学153.3.1 断口分析方法及断口分析的任务断口分析方法及断口分析的任务知识点知识点7 断口分析的任务。断口分析的任务。断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断断口分析包括宏
16、观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断口形貌；微观分析，既包括微观形貌分析，又包括断口产物分析口形貌；微观分析，既包括微观形貌分析，又包括断口产物分析(如产如产物的化学成分、相结构及其分布等物的化学成分、相结构及其分布等)。断口分析的具体任务主要包括以下几个方面：断口分析的具体任务主要包括以下几个方面：(1)确定断裂的宏观性质；确定断裂的宏观性质； (2)确定断口的宏观形貌；确定断口的宏观形貌；(3)查找裂纹源区的位置及数量；查找裂纹源区的位置及数量； (4)确定断口的形成过程；确定断口的形成过程；(5)确定断裂的微观机制；确定断裂的微观机制； (6)确定断口表面产物的性质。确定断口
17、表面产物的性质。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学163.3.2 断口的宏观分析断口的宏观分析知识点知识点8 断口的宏观分析。断口的宏观分析。断口的宏观分析是指用肉眼或放大倍数一般不超过断口的宏观分析是指用肉眼或放大倍数一般不超过30倍的放大镜倍的放大镜及实物显微镜，对断口表面进行直接观察和分析的方法。断口的及实物显微镜，对断口表面进行直接观察和分析的方法。断口的宏观分析法是一种对断裂件进行直观分析的简便方法。宏观分析法是一种对断裂件进行直观分析的简便方法。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间
18、的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力力(正应力及切应力正应力及切应力)间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即是宏观脆断还是韧断，并可确定断断裂的宏观表现及其性质，即是宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学173.3.2 断口的宏观分析断口的宏观分析断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。1最初断裂件的宏观判断；最初断裂件的宏观判断；2主断
19、面主断面(主裂纹主裂纹)的宏观判断；的宏观判断；3断裂断裂(裂纹裂纹)源区的宏观判断；源区的宏观判断；4宏观断口的表象观察与致断原因初判。宏观断口的表象观察与致断原因初判。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学183.3.3 断口的微观分析断口的微观分析知识点知识点9 断口的微观分析。断口的微观分析。1断口微观分析的内容和方法断口微观分析的内容和方法断口作微观分析的内容主要包括断口的产物分析及形貌分析两个断口作微观分析的内容主要包括断口的产物分析及形貌分析两个方面。方面。(1)断口的产物分析。断口产物的分析又可分为成分分析和相结构断口的产物分析。断口产物的分析又可分为成分分析和相结构分析两个
20、方面。分析两个方面。 (2)断口的微观形貌分析。目前用于断口微观形貌分析的工具，主断口的微观形貌分析。目前用于断口微观形貌分析的工具，主要是电子显微镜，即透射电镜及扫描电镜。要是电子显微镜，即透射电镜及扫描电镜。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学193.3.3 断口的微观分析断口的微观分析2解理断裂解理断裂(1)解理断裂的特点。其断裂的特点是，解理初裂纹起源于晶界、亚晶界解理断裂的特点。其断裂的特点是，解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面，并严格沿着金属的结晶学平面扩展。或相界面，并严格沿着金属的结晶学平面扩展。(2)解理断裂的微观形貌特征及断裂性质。解理断裂的微观形貌特征主要解理断裂的
21、微观形貌特征及断裂性质。解理断裂的微观形貌特征主要是河流花样及解理台阶，确定解理断裂的性质。是河流花样及解理台阶，确定解理断裂的性质。(3)致断原因分析。导致金属零件发生脆性的解理断裂有材料性质、应力致断原因分析。导致金属零件发生脆性的解理断裂有材料性质、应力状态及环境因素等众多原因。状态及环境因素等众多原因。(4)防止构件发生解理断裂的措施。总之，防止解理断裂的基本出发点是防止构件发生解理断裂的措施。总之，防止解理断裂的基本出发点是降低构件的脆性转折温度，使构件在脆性转折温度以上的条件下工作。降低构件的脆性转折温度，使构件在脆性转折温度以上的条件下工作。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教
22、学203.3.3 断口的微观分析断口的微观分析3准解理断裂准解理断裂(1)准解理型断裂的微观形貌特征。准解理断裂的断口是有平坦的准解理型断裂的微观形貌特征。准解理断裂的断口是有平坦的“类解理类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。(2)准解理断裂性质的判别。在失效分析时，可以根据断口的微观电准解理断裂性质的判别。在失效分析时，可以根据断口的微观电子图像的特征来判定是否准解理断裂。子图像的特征来判定是否准解理断裂。(3)致断原因分析。致断原因分析。 (4)防止构件发生准解理断裂的措施。为了防止此类断裂，最有效防止构件发生准解理断裂的措施。为了防止此类断裂，
23、最有效的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力。的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学213.3.3 断口的微观分析断口的微观分析4准脆性解理断裂准脆性解理断裂(1)准脆性解理断裂的特点。光滑试件的解理断裂，其宏观表现上一般准脆性解理断裂的特点。光滑试件的解理断裂，其宏观表现上一般是脆性的。是脆性的。(2)准脆性解理断裂性质的判别。在构件中部的平面应变区为解理型断准脆性解理断裂性质的判别。在构件中部的平面应变区为解理型断裂，在构件的周边平面应力区为微孔型断裂。裂，在构件的周边平面应力区为微孔型断裂。 (3)致断原因分析。对于准脆性解理断裂产生的原因，可以从断
24、裂力学致断原因分析。对于准脆性解理断裂产生的原因，可以从断裂力学的角度予以解释。的角度予以解释。(4)预防措施。防止准脆性解理断裂的主要措施是减小构件中的裂纹尺预防措施。防止准脆性解理断裂的主要措施是减小构件中的裂纹尺寸。寸。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学223.3.3 断口的微观分析断口的微观分析5微孔型断裂微孔型断裂(1)微孔型断裂的微观形貌。微孔型断裂的微观电子形貌呈孔坑、塑坑、微孔型断裂的微观形貌。微孔型断裂的微观电子形貌呈孔坑、塑坑、韧窝、叠波花样。韧窝、叠波花样。 (2)微孔型断裂性质的判别。微孔断裂可以是沿晶型的，但多为穿晶型的微孔型断裂性质的判别。微孔断裂可以是沿晶型
25、的，但多为穿晶型的断裂。微孔型断裂是一种延性断裂。断裂。微孔型断裂是一种延性断裂。(3)宏观脆性微孔型断裂的特点。宏观脆性微孔型断裂的微观电子形貌为宏观脆性微孔型断裂的特点。宏观脆性微孔型断裂的微观电子形貌为细小、均匀分布的等轴型微孔，微孔的形成和连接时的塑性变形量很小。细小、均匀分布的等轴型微孔，微孔的形成和连接时的塑性变形量很小。 (4)宏观脆性微孔型断裂的预防措施。为预防高强度材料裂缝件发生微孔宏观脆性微孔型断裂的预防措施。为预防高强度材料裂缝件发生微孔型断裂，主要从材料学的角度出发，通过提高材料断裂韧度加以解决。型断裂，主要从材料学的角度出发，通过提高材料断裂韧度加以解决。中国地质大学
26、远程教学中国地质大学远程教学233.3.3 断口的微观分析断口的微观分析6沿晶断裂沿晶断裂(1)沿晶断裂的微观形貌特征。按断口的微观形貌特征，沿晶断裂沿晶断裂的微观形貌特征。按断口的微观形貌特征，沿晶断裂又可分为两大类：一是沿晶的正向断裂；另一类是沿晶的延性断又可分为两大类：一是沿晶的正向断裂；另一类是沿晶的延性断裂。裂。(2)沿晶断裂的判定。断口表面呈冰糖块状或岩石状的多面体外形，沿晶断裂的判定。断口表面呈冰糖块状或岩石状的多面体外形，有较强的立体感。有较强的立体感。 (3)沿晶断裂的致断原因。氢致损伤、应力腐蚀、蠕变、回火脆性、沿晶断裂的致断原因。氢致损伤、应力腐蚀、蠕变、回火脆性、第二相
27、析出脆性及热脆性、热疲劳等断裂均可能是沿晶型的断裂。第二相析出脆性及热脆性、热疲劳等断裂均可能是沿晶型的断裂。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学243.3.3 断口的微观分析断口的微观分析(4)沿晶断裂失效的预防措施。预防沿晶断裂失效的措施通常有以下沿晶断裂失效的预防措施。预防沿晶断裂失效的措施通常有以下几点：几点：1)提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶界分布。提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶界分布。2)严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化。严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化。3)减少晶界与环境因素间的交互作用。减少晶界与环境因素间的交互作用。4)降低金属表面的残余拉应力，以及防止局部三向拉应力状态的产生。降低金属表面的残余拉应力，以及防止局部三向拉应力状态的产生。7疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂断口微观形态请参见第疲劳断裂断口微观形态请参见第5章章“疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析”。
