张峥-失效与失效分析培训

1、北航1失效分析程序和思路北京航空航天大学材料科学与工程学院张峥北航2失效的概念 GB3187-82中定义，产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。结构、零件或机器的形状、尺寸或材料性能发生改变，不能满意地执行预期的功能。机械失效主要包括变形、断裂、腐蚀、磨损。 突发性、渐进性和间歇性。北航3失败失败成功成功知识的探索和创新知识的探索和创新 失效是成功之母人类的进化和发展人类的进化和发展 科技的进步和提高科技的进步和提高 失效分析预测预防失效分析预测预防 技术进步过程中会出现失效北航4失效率使用时间早期失效区随机失效区耗损失效区机械产品失效率与人得病概率一致北航5失效是不可避免的，失效不一

2、定是坏事 美国国家运输安全委员会(NTSB) 认为, 人的认识有局限性, 随着时间的推移, 科技水平的提高, 人们认识事物本质的水平也在不断提高。人们对事物的认识是不断深化、逐步逼近事物本来面目的无限循环过程。 失效的认识论上的原因是人的主观认识与客观事物的本质相脱离的结果。因为人的认识是相对真理，而客观事物的本质是绝对真理，人的认识过程是人认识的相对真理不断逼近客观事物本质的绝对真理的过程，因此人的认识总是相对的，而客观事物是绝对的，失效是不可避免的，是人类认识客观真理过程中永恒的主题。北航6汽车零件失效的几种形式 一、磨损 零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象称为磨损，它包括物

3、理的、化学的、机械的、冶金的综合作用。对于一个表面的磨损，可能是由于单独的磨损机理造成的，也可能是由于综合的磨损机理造成的。磨损的发生将造成零件形状、尺寸及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低。 二、腐蚀 金属零件的腐蚀是指表面与周围介质起化学或电化学作用而发生的表面破坏现象。腐蚀损伤总是从金属表面开始 ，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点等破坏区域。腐蚀的结果使金属表面产生新物质，时间长久将导致零件被破坏。北航7汽车零件失效的几种形式 三、断裂 断裂是零件在机械力、热、腐蚀等单独或联合作用下，发生局部开裂或分成几部分的现象。断裂是零件破坏的重要原因

4、，它是金属材料在不同情况下，当局部裂纹发展到零件裂缝尺寸时，剩余截面所承受的外载荷超过其强度极限而导致的完全断裂。断裂是零件使用过程中的一种最危险的破坏形式。断裂往往会造成重大事故，产生严重后果。北航8汽车零件失效的几种形式 四、变形 多年的维修实践证实，虽然将磨损的零件进行修复，恢复了原来的尺寸、形状和配合性质，但装配后仍达不到预期的效果。出现这种情况，通常是由于零件变形，特别是基础零件变形，使零部件之间的相互位置精度遭到破坏，影响了各组成零件之间的相互关系。在高科技迅速发展的今天，变形问题将越来越突出，它已成为维修质量低、大修周期短的一个重要原因。北航9失效分析的概念判断失效模式、查找失效

5、的原因和机理，提出防止类似事故再次发生的技术活动和管理活动。北航失效分析的概念失效分析是一个十分复杂的过程，特别是一个大系统的失效，一般工作条件复杂、可疑点较多、难度也大，对失效人员的要求是知识面要广，并具有一定深度，以及丰富的实践经验。是一门综合性的技术学科，涉及材料学、力学、摩擦学、腐蚀学和机械制造工艺。北航11失效分析的概念氢脆、应力腐蚀、回火脆、过热过烧、蠕变氢脆、应力腐蚀、回火脆、过热过烧、蠕变北航12失效分析的作用飞机材料由于缺陷在不同阶段所造成损失的例子：草图阶段损失为1生产阶段再发现损失为10终检阶段损失为100出厂使用后损失为1000带入产品改型损失为10000因缺陷失事损失

6、达10万至100万北航13失效分析的作用1、失效分析可以减少和预防机械产品同类失效现象重复发生，从而减少经济损失和提高机械产品质量北航14失效分析的作用2、失效是产品质量控制网发生偏差的反映，失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作，是机械产品全面质量管理中重要组成部分和关键技术环节。 北航15失效分析的作用3、失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案件、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准方面提供可靠科学技术依据北航16失效分析的作用4、失效分析可为技术开发、技术改造、技术进步提供信息、方向、途径和方法 5、失效分析可为各 级领导进行宏观经济 和技术决策提供重要 的科学的信息来源。北航17现行

7、预计的设计可能产生的失效模式 分析分析对顾客的影响 哪些原因可能造成这个失效模式 每个原因造成这个失效模式的的可能性采取可行的对策 北航18服役周期失效延寿服役断裂失效机理及重大事故失效分析材料腐蚀与老化失效检测技术应用研究安全评估技术寿命预测技术修复技术北航19 失效的发生有多方面的原因，其中包括管理、制造和操作等。例如，19771986年间空军严重飞行事故统计结果事故原因操纵制造维护翻修指挥不明比例（%）56.112.84.72.718.15.6北航20北航21如何做好失效分析工作 失效分析程序与思路至关重要 失效分析工作强调思路的正确性和技术手段的巧妙性北航22失效分析的程序1、现场及相

8、关信息的收集2、初步确定肇事件3、制定具体分析思路和工作程序4、初步判断肇事件的失效模式5、查找失效的原因6、综合性分析7、总结报告北航23哥伦比亚飞机从哥伦比亚飞机从California上空再入后，其轨迹通过了上空再入后，其轨迹通过了Nevada, New Mexico, 在在Texas北部上空解体，可以看到飞机残骸和碎片逐渐离去。北部上空解体，可以看到飞机残骸和碎片逐渐离去。北航24l 共共17,400个电话、个电话、电子邮件、报告等。电子邮件、报告等。l 见了见了2,900个目击证人个目击证人l 收到收到700分照片和录像分照片和录像以及报告以及报告调查组从调查组从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，把在得克萨斯州和路易斯安纳州历时四个在肯尼迪航天中心，把在得克萨斯州和路易斯安纳州历时四个月收集来的月收集来的8.4万片大约万片大约38飞机飞机的的残骸进行分类和重新组装。残骸进行分类和重新组装。为了查清原因，为了查清原因，首先由首先由NASA支持组成了调支持组成了调查组，由材料查组，由材料和工艺的工程和工艺的工程师和科学家组师和科学家组成。成。北航26左侧下翼碎片左侧下翼碎片右侧下翼碎片右侧下翼碎片从哥伦比亚航天飞机左及右侧恢复的碎片量比较。从哥伦比亚航天飞机左及右侧恢复的碎片量比较。在轮子前左右相当，在轮子后左右相差很大。在轮子前左右相当，在轮子后左

10、右相差很大。左、右两翼残骸数量对比左、右两翼残骸数量对比北航27 残骸清洗和评估，寻找航天飞机爆炸可能残骸清洗和评估，寻找航天飞机爆炸可能的起源；的起源； 对机翼上各种材料进行冶金、金相和热分对机翼上各种材料进行冶金、金相和热分析；析； 计算机模拟空气动力学及热力学模拟；计算机模拟空气动力学及热力学模拟； 收集在机翼上的传感器和录音机和图像的收集在机翼上的传感器和录音机和图像的结果。结果。 再现的冲击再现的冲击RCC面板试验面板试验由以上的分析判断航天飞机爆炸的起源。由以上的分析判断航天飞机爆炸的起源。北航28 航天飞机在升空约航天飞机在升空约81.7秒时，从外贮秒时，从外贮燃料箱上掉下一块燃

11、料箱上掉下一块隔热泡沫砸到左翼隔热泡沫砸到左翼碳碳/碳复合材料碳复合材料RCC8、RCC9号面号面板下半部，在此形板下半部，在此形成裂缝，但这种现成裂缝，但这种现象却没有实时发现象却没有实时发现 固体燃料助推火箭固体燃料助推火箭外贮燃料箱外贮燃料箱航天飞机裂缝是怎么产生的？航天飞机裂缝是怎么产生的？北航29隔热泡沫掉到左机翼面板上的轨迹隔热泡沫掉到左机翼面板上的轨迹计算机模拟的轨迹计算机模拟的轨迹录像记录的轨迹录像记录的轨迹北航失效分析的思路 失效分析全过程的思维路线。是指在思想中以机械失效的规律为理论依据，把通过调查、观察和实验获得的失效信息分别加以考察，然后有机结合起来做为一个统一整体综合

12、考察，以获取的客观事实为证据，全面应用逻辑推理的方法，来判断失效事件的失效模式，并推断失效原因。北航思路原因、中间现象、结果 顺藤摸瓜 顺藤找根 顺瓜摸藤 顺根摸藤 瓜藤根 根藤瓜 藤根，藤瓜北航失效分析时要关注的零件 当前失效件 潜在失效件 过去失效件北航残骸分类 肇事失效件泛指直接其他机件失效的机件；特指直接机械失效甚至造成机械事故的机件。 相关失效件泛指对其他机件的失效有直接影响的机件。北航残骸分类 受害失效件泛指受其他机件失效的危害而失效的机件，而该机件对其他机件的失效却没有直接影响。 直接受害失效件特指事故发生前受肇事件的危害而失效的机件。北航残骸分类 被破坏件特指事故发生时被破坏而

13、失效的机件。 独立失效件泛指与其他机件失效无关的失效机件。特指事故或机械失效发生之前，已经失效的机件，但它对事故的发生或机械的失效并无影响。北航残骸分类 首先断裂件泛指机械中第一个发生断裂失效的机件。特指事故或机械失效过程中第一个断裂件。 首先失效件泛指机械中第一个发生失效的机件。北航北航北航北航失效分析的思路1、撒大网逐个因素排除的思路操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理2、失效树（故障树）3、逻辑推理演绎推理、归纳推理、类比推理等北航41延性断裂材质工艺引起延性断裂引起延性断裂设计材质工艺复查设计复核严重超载引起延性断裂使用受力分析热加工失效金相组织力学性能检查冷加工失效尺寸

14、表面质量检查结构设计失误设计复核选材失误材料强度复核北航42失效率失效率使用时间早期失效区随机失效区耗损失效区浴盆曲线如何应用!北航43 50CrVA是一种典型的弹簧钢，具有韧性好、疲劳强度高、淬透性好和热敏感性低等优点。某厂生产的50CrVA汽车用扭杆设计寿命为500万次，在前期对扭杆样件进行扭转疲劳性能测试，结果部分扭杆在循环30万次左右即发生断裂。试验频率2.5Hz，扭转角度为7。50CrVA扭杆断裂原因分析北航44Fatigue source 1Fatigue source 2Inclusion and hole北航45 扭杆扭转疲劳安全系数0.6071.012。 对汽车扭杆的优化设计

15、中都取n=1.25。 对比说明试验设计的安全系数偏小，扭杆实际所受剪应力超过了其许用应力值，致使疲劳寿命降低。 扭转疲劳试验不能达到预期疲劳寿命最主要的原因是疲劳试验时所选的扭转角度过大。北航46断裂边齿北航47 北航48 北航49失效分析的思路采用类比推理或逻辑推断的思路北航Instron 疲劳试验机疲劳试验疲劳试验失效分析预测预防研究所失效分析预测预防研究所Amsler 疲劳试验机USF 2000 超声疲劳试验机疲劳试验应力/MPa频率/Hz应力比设计总寿命/次1低周疲劳10005-19,9832高周疲劳71020-1142,0143高频疲劳710120-135,5004超声疲劳50020,000-18.48107材料强韧化及损伤机理北航表面喷丸超声疲劳试样断口分析“鱼眼”内扩展区瞬断区ODA区“鱼眼”外扩展区源区 断口低倍形貌 断口源区形貌 表面喷