零件失效的信息采集方法与分析

1、零件失效的信息采集方法与分析孙维连河北农业大学机电工程学院 河北保定 071001摘要：机械零件的失效分析和研究工作在国内外都非常活跃,已逐步发展成为一门综合性的学科。本文借助部分实例讨论了机械零件的失效信息采集和分析过程，证实了获取有价值的失效信息，制订一个正确的失效分析程序和切实可行的实施步骤十分重要。它可以使分析工作按部就班、有条不紊,提高工作效率,从而使分析得到正确的结论。关键词：失效分析 ,信息 ，程序The Collection And Analysis Of Failure Information in Mechanical PartsSun WeilianZhang Xiaor

2、u Wang Huiqiang1College Of Mechanical And Electric Engineering ,Agricultural University Of Hebei 2.The Central Institute For Correctional Police, China, Baoding 071001Abstract: Mechanical parts of the failure analysis and research work at home and abroad are very active, and has gradually developed

3、into a comprehensive subjects. This article discussed the machine parts failure information acquisition and the analysis process with the aid of the partial examples, gains the valuable failure information, draws up a correct failure analysis procedure and the practical 、feasible implementation step

4、 is very important. It may cause the analysis work can proceed step by step, methodically, improve the working efficiency, thus enables the analysis to obtain the correct conclusion.Key words:Failue; analysis; information; procedure1 引言零件失效分析涉及整个机械失效的系统工程分析，其目的是减少和预防机械产品同类失效现象重复发生，减少人员伤亡和经济损失，是机械产品全

5、面质量管理中重要组成部分和关键技术环节。通过失效分析发现新问题，重新认识机械产品运行和材料处理与应用规范，并将促进新技术发展。失效分析在提高产品质量、科技含量、经济效益方面发挥了重要的作用。机械产品在实际制造和使用过程中，机械损伤和缺陷是难免的，也是导致机械零件失效的主要原因。实践表明，大多数机械零件失效是由于存在原始缺陷或损伤造成裂纹萌生，扩展，直至断裂的发展过程。但由于环境的突变，操作失误或管理不善也会造成偶然失效。偶然失效在机械产品失效占有较低的概率1。分析机械零件失效，大都是在出现问题以后.有关单位聘请有关专家对事故原因进行调查，研究，最后给出结论。由于操作者缺乏经验，出现事故后，担心

6、事故责任或者急于修复，往往会对现场要进行不同程度的破坏。这就使得分析专家需要费些周折才能将事故原因真正搞清。作为分析专家，不仅具备比较渊博的知识，还要采取合适的分析手段与设备，才能对事故原因进行准确的判断和分析。失效分析的信息采集是最重要的环节，这是提供分析专家的第一手资料。材料准确、翔实是分析问题和解决问题成败的关键，本文针对信息采集与分析方面的总结经验，有助于分析专家获得准确的资料。失效分析是一项极其复杂的研究工作，涉及多方面的因素。需要根据失效信息材料制定失效分析计划或方案。在进行失效分析时，通过大量的和丰富的失效信息材料和进行必要的试验和模拟，获得有关的试验数据或结果。在这个基础上，对

7、材料、数据、结果等进行加工、整理、分析和综合，才能揭示出失效的性质和找出失效的规律。在分析研究零件或构件失效时，调查研究事故全过程是很花费时间的，有时失效分析人员不能或不可能到失效现场去。在这种情况下，失效信息材料和失效样品可以由现场工程人员或其他工作人员在现场收集。现场情况报告和检验记录等均可作为失效分析的依据或参考资料。因此，现场工作人员应具备一定的失效分析基础知识，才能正确的保留现场，获得准确资料。失效分析是一门综合性的边缘学科.它涉及到很多专业或学科，而失效分析人员所学的专业或学科仅是一种或二种，若想得到确切的失效原因，失效分析人员必须要不断地学习和提高失效分析技术与方法。收集失效信息

8、材料的过程，就是失效分析人员的学习和提高的过程。通过收集失效信息材料的过程，可以掌握和了解失效零件或构件的功能、原理、运行等情况，所以说，它也是促进人才成长的重要因素。总之，人们要进行失效分析，首先必须收集失效信息。它是失效分析中最繁琐最复杂的一个阶段，是失效分析活动中具有战略意义的第一步。只有对这个问题有了足够的认识，才能成为真正有价值的失效分析，才能准确地找到失效原因。2失效分析的信息采集与分析过程 失效信息采集主要通过调查服役条件，观察失效的外观新貌，检查零件的加工缺陷，材料成分，组织结构，加工工艺路线，分析零件的受力状态。（1） 调查服役条件现场观察是最直接的方法，观察现场方法，是观察

9、者有目的、有计划地运用自己的感觉器官或借助科学仪器，直接收集正在发生或发生后的事故现场环境中的有关失效背景材料的方法。观察现场的效果，主要取决于观察者自身的素质，取决于有无明确的观察目的和能否进行认真、系统和全面地观察。除了运用人的感觉器官，主要是通过眼睛获得的之外，还常常借助于各种观察仪器进行的观察活动。观察仪器主要有：(a)照像机；(b)摄影机；(c)内窥镜；(d)放大镜；(e)体视显微镜；(f)金相显微镜等。通过现场考察区分失效类别（断裂，弯曲，磨损，腐蚀等）初步判断失效原因，主要失效原因如下：设计原因零件的形状、尺寸是否符合服役条件。零件加工零件加工是否满足加工精度要求，是否留下充分加

10、工圆角材料成分制造采用的材料成分是否满足零件的强度要求。 材料处理材料热处理是否达到了组织和性能要求。（2）检查材料成分机械零件大多数由金属材料制造，对材料成分是否符合制造标准要求非常重要，分析方法目前主要有化学分析法和光谱法。化学分析法是在零件上取出一些碎屑，例如可以用钻头在零件上取出一定量钻屑，用化学试剂溶解后通过比对法找出相应化学元素含量。直读光谱设备是将零件切成试件（30×20）放在光谱计上通过放电击出火花，通过不同的试样通道通过火花颜色分辨出不同元素的含量。目前，人们普遍认为，化学分析能够获得更精确的成分含量。（3） 检查外观形貌和断口如果零件表面产生裂纹，或者已经开裂，外

11、观检查就非常重要。断口分脆性断口和韧性断口两种。脆性断口表面平整，有结晶状形状。这表明材料脆性大。如果断口成纤维状，并有韧窝，表明材料韧性好。断口检查可以采取肉眼观察，也可以借助体视显微镜和扫描电镜放大观察。（4） 检查材料的组织结构组织结构是和材料的处理工艺有直接关系。观察组织形貌通常在金相显微镜和扫描电镜或透射电镜上进行。为了获得真实的组织结构，制备出良好的金相试样是分析的基础。K.Geels 总结了真实试样的制备方法2。提出研磨和抛光时由于采用不当的方法产生变形层将影响组织的真实性。试样制备是一件非常仔细的工作，在必要情况下，不仅需要失效产品的金相组织。还要做出原始材料的金相组织。例如分

12、析一根粉碎机轴断裂原因，在轴的表面有明显的淬火直裂纹。初步判断属于淬火温度或材料选择不当造成，做了断轴的金相组织分析发现，断轴的裂纹颜色不同，分两部分。仔细观察靠近轴表面约1mm部分裂纹有氧化现象。调来原始材料，做了金相分析发现，原材料本身就存在表面微裂纹，切削加工量小，表面还残存着裂纹，这就构成了淬火开裂的原因。又如某热锻模具，淬火开裂的原因是锻后回火没有充分，模具大，退火时间短,内部粗大晶粒是裂纹产生大原因3。在分析金相组织时，还要考虑其他因素的影响，例如分析高速钢丝锥断裂原因时，丝锥表面出现了龟裂纹，分析原始材料和失效材料的组织结构都符合标准，马氏体的级别也符合标准要求，再不能判定原因的

13、情况下，清查了热处理原始纪录，发现丝锥开裂的原因是回火不及时造成的。根据高速钢的特性，高速钢淬火后应在一小时内及时回火，防止淬火应力产生裂纹，生产中没有按规定回火的原因是淬火后突然停电，等到来电后才回火，从而使得丝锥由于淬火应力释放而导致表面龟裂。4 总之，任何一种研究方法，都有自己的特殊作用，同时，都不是唯一的，各自都有一定的局限性。一般说来，所收集的失效信息材料，必须经过思维加工，使之上升为失效分析的依据或理论。3 失效分析的一般思路由于机械零件失效往往造成机器停机，甚至造成重大事故，因此都希望尽快找到零件失效的直接原因和防止失效的对策。为此，制订一个正确的失效分析程序和切实可行的实施步骤

14、就十分重要。它可以使分析工作按步就班、有条不紊，提高工作效率5，同时还可以避免分析工作的重复和遗漏。更重要的是能使失效分析工作得出正确的结论。机械零件失效分析一般程序和步骤简述如下。（1）现场调查和信息材料的收集 进行现场调查，收集信息材料，是机械零件失效分析的第一阶段。这一阶段的主要工作如下：观察零件在机器中的部位和具有的规定功能，搞清失效零件与相邻零部件的关系。了解失效零件的服役条件和工况，例如：载荷的类型、大小和频率，运转速度，振动和冲击的情况，可能出现的过载和超速等。了解零件的工作环境状况，例如环境的温度、湿度，有否腐蚀介质，污染程度如何等等。 观察零件失效的情况、失效的部位。用肉眼或

15、放大镜检查断口的形貌、颜色，有无化学腐蚀和机械损伤等。进而对零件失效的源区作直观检查和判断。 收集失效零件的残骸，或截取试样，供下一步分析研究用。 根据以上调查事实，可以初步确定零件失效的性质和类型，如整体失效或表面失效(脆性、塑性、过载、疲劳、磨损、腐蚀、蠕变等)。 向有关人.员作询问调查。可以用个别询问或开座谈会等各种方式，向机器操作人员、维修人员、管理人员和失效事故目击者，详细询问零件失效的情况和看法。值得注意的是，由于失效事故涉及到有关人员的责任和利害关系，因此不可能人人都讲真话，有时甚至会有意制造假象。这就要求调查者多听不同的说法和意见，避免偏听偏信和主观引导对方回答问题时“顺着竿子

16、向上爬”。 收集失效零件的历史和信息资料也是现场调查的一项重要工作口这些资料包括设计计算书、设计图样、制造工艺资料、维修记录、运转日记，以及公开出版物中有关同类零件失效的报道等。其中最基本的项目有:零件名称、制造厂家、使用单位、材料牌号、力学性能、到失效时的服役寿命、设计图样、说明书，冷加.毛工艺过程和检验规范、热处理工艺和对金相组织的要求、表面处理工艺(渗碳、渗氮、硬化处理、电镀、涂层等)、生产厂的质量检查报告、使用单位运转日记、维修记录、操作者的技术水平和工作责任心。总之，在现场调查阶段，工作要尽可能仔细、全面，可采取照相、录像、录音、笔录、绘图等各种手段，将调查的原始材料记录下来，为下一

17、阶段的分析研究提供可靠的根据，同时也可避免不必要的返工6。（2）分析研究 在现场调查的基础上，就可以对零件作进一步的失效分析和研究，具体的工作如下： 确定零件失效分析的正确思路和方法。在一般的机械零件失效分析中，采用“撒大网”逐个因素排除法是切实可行的。也就是在失效分析工作开始时，将可能引起零件失效的因素全部列出，然后作深入的分析研究，将与失效无关的因素逐个排除，最后就可能找到引起失效的直接原因。在实际应用中，能较好体现这种方法的是“鱼骨图”分析法。这种方法将可能引起零件失效大项因素(如设计有误、材料有误、冷热加工有误、使用维护有误等)作为大骨。其中每一大项又可以列出许多分项(中骨)，例如热加

18、工有铸造、锻造和热处理等，而热处理又可分金相组织、硬化层深度、硬度梯度、过热、表面脱碳、内氧化等(小骨。“鱼骨图”就是将零件失效和引起失效的众多因素用鱼骨结构将它们有机地联系起来;然后将引起失效的因素逐个排除，最后找到零件失效的原因。 图1是某焊接压力容器破裂事故的鱼骨图1，从中可以看到失效分析的思路。图1 焊接压力容器破裂事故的鱼骨图分析Fig.1 The fishbone chart analysis of breakage accident's in welding pressure vessel 失效零件断口的宏观观察 主要依靠肉眼或放大镜仔细观察断口的形貌，用文字、绘图或照相

19、记录断口的特征，如色泽、粗糙程度、纹路、边缘情况、裂纹走向、裂纹位跪等。判断失效的性质和可能引起失效的原因。失效零件断口的微观检验 可利用光学显微镜或电子显微镜进行断口形貌观察、微区成分分析、X光结构分析等，以便取得零件失效直接原因的证据。失效零件材料化学成分分析 分析材料的化学成分，可以判定零件材料是否符合标准规范要求。这是一种很重要的常规检验。成分分析的试样要尽可能取自零件的失效处。 失效零件的全相检验 检验失效零件的金相组织，可以判别失效零件锻、铸和热处理的质量。如果金相组织不符合要求，材料中夹杂物过多，表面有脱碳现象或晶界氧化等，都可能是零件失效的直接原因。失效零件材料的力学性能测试

20、对于较重要的机械零件，设计图样上对材料的.力学性能(b、s、k等)都有明确的规定。在失效分析时，如有需要，可以从失效零件上截取试样，进行力学性能测试。在实际毛作中，零件的硬度往往可以在一定程度上反映材料的力学性能。因此，测定零件失效部位的硬度就非常重要。 其他的检验除了上述各种检验和分析外，还可以针对特定的零件失效进行其他项目的检验，例如探伤检查、残余应力测定、蠕变检验、氢脆、冷脆检查等。 使用和维护不当，检查由于使用不当可能使零件超载、超速、超温;由于维护不当可能使零件缺乏润滑，磨损过度，漏电电蚀，环境污染等。这些都可能是零件失效的原因。 （3）机械零件失效分析报告7 经过详细、全面的分析和

21、周密、严谨的推理后，就能够最后确定机械零件失效的直接原因和间接原因，并提出相应的改进措施。在这基础上就可以撰写机械零件失效分析报告。失效分析报告是零件失效分析.工作的总结和归宿，因此应该写得条理清楚，简明扼要，逻辑性强，结论明确。一般应包括以下内容：机械零件失效情况概述。现场调查和背景资料。失效零件断口的宏观观察和微观检查。失效零件材料的化学成分测定和金相组织检查。零件失效原因的分析和判断。对比试验验证。结论和改进措施。参考文献。附件。 失效分析报告应简明扼要，重点突出，原则上与报告结论无关的内容、数据尽可能省去，必要时(例如化学成分分析报告，强度计算书等)可以作为附件放在报告之末，以节省正文

22、的篇幅。4 结 论机械零件失效分析是一项极其复杂的研究过程，涉及信息采集、实验分析、模拟、数据整理、判断等过程。只有掌握大量准确的信息资料与数据，根据相应的标准和成熟理论进行正确的分析和判断。当失效特征明显时分析过程较为简单。当一些重要的信息遗失或被破坏的情况下，研究人员要根据正确的研究方法与手段进行大量试验与模拟，补充必要的数据，才能做出正确的结论。因此规范正确的机械零件失效采集和分析方法，可以起到事半功倍的效果。致谢本文得到河北省人事厅专家与留学服务中心资助，在此表示感谢。参考文献1L.Han Evaluation of quality and behaviour of self-pier

23、cing riveted aluminum to high strength low ally sheets with different surface coatings Materials and design 29(2008) 458-4682A study of the wear mechanism of TiAlN and Ti AlCrN coated high-speed steel twist drills under dry machining conditions Wear 254(2003)723-7343R.Hambli Influence of material properties variation on Damage evolution during extrusion processes Advanced manufacturing technology 20 (2002) 676-6824J.A. Aresecularatne Wear and tool life of tungsten carbide, PCBN and PCD cutting tools Machine tools & manufacture5A.H. Falah Fai