失效及失效分析的概念

失效及失效分析的概念1第一页，共八十二页，2022年，8月28日第一章

失效及失效分析的概念

2第二页，共八十二页，2022年，8月28日本章内容摘要失效及失效分析的定义；失效分析的意义和重要性；机械产品失效的分类；失效分析的工作内容；失效分析与其他学科、技术间的关系。

3第三页，共八十二页，2022年，8月28日前言失效（Failure）与失效分析（FailureAnalgsis）：是一门涉及面广、实用性强的实用基础技术。随着科学技术日益进步，工程失效事件不断发生，失效分析技术也不断发展，使用的手段也不断完善，人们对失效的认识也越来越丰富、充实，工程界已将它列为一门学科即机械失效学（失效学）。机械失效学：研究机械产品（装备）的失效理论、失效诊断技术和失效预测预防方法及其应用一门学科。4第四页，共八十二页，2022年，8月28日失效学：是一门边缘交叉的、综合的新兴学科，它与多种学科、技术相关，与基础学科相结合，形成不少边缘学科。如：失效学＋物理学－－→失效物理学；

失效学＋力学－－→失效力学(损伤力学）；

失效学＋数学－－→可靠性数学等。失效分析：是一门跨学科的综合性技术，它涉及的知识广泛，与许多应用学科和技术密切联系；它是以机械产品为对象，故也称为：机械产品的失效分析。5第五页，共八十二页，2022年，8月28日机械产品（机械零件、设备、装置）的失效分析，在工业生产和工程建设中具有重要的实用价值。机械产品由于在材料选用、设计、制造、使用、维修及人为操作等原因常发生失效，轻则须更换零件、重则导致严重事故，造成人员伤亡和经济上重大损失。历史上曾有如：

列车因车轴、车轮的断裂而出轨或倾覆；

大型轮船因船体断裂而沉没；

大型压力容器、锅炉的爆炸；

大型电站转子的飞裂；桥梁的断裂；

飞机因发动机、机翼等零件的失效而坠毁；

海洋石油钻井平台因立柱断裂而覆没。6第六页，共八十二页，2022年，8月28日特别是：大量通用的、关键的、基础零、部件地大量早期失效，严重影响了机械产品的质量和寿命，因此需要有更多的人从事失效分析工作，重视和搞好产品的失效分析，这对提高机械产品的质量，将起深远的影响。本选修课目的：普及失效分析的基础知识，提高材料技术人员的失效分析水平。通过学习

1.了解失效分析的基本概念；

2.掌握失效分析的思路与方法；

3.熟悉典型机械产品失效的规律与特点；为今后顺利地进行失效分析工作打下一定的基础。7第七页，共八十二页，2022年，8月28日§1-1失效及失效分析的定义

意义和重要性8第八页，共八十二页，2022年，8月28日一、失效及失效分析的定义

1.失效（Failure)机械零件、设备、装备或系统－统称为机械产品。任何机械产品都为完成某种规定的功能而设计的，也即各种机械产品都具有一定的功能。如：轴类、弹簧等零件－－传递力、能量或承受载荷等；

发电机－－使热能或其他形式的能量转变为电能；

汽车－－主要需安全、高速、低油耗、少污染、舒适等。9第九页，共八十二页，2022年，8月28日一、失效及失效分析的定义机械产品在服役中，因应力、时间、温度、介质和操作失误等因素的作用，常有失去其原有功能的现象。机械产品丧失其规定的功能的现象－－称为失效。“失效”是一个技术名词，曾被称“事故”、“故障”等。

1980年12月，由中国机械工程学会机械产品失效分析委员会会议上正式统称为“失效”。10第十页，共八十二页，2022年，8月28日失效的三种形式国外资料失效的定义：即失效有以下三种情况。1.完全不能工作（完全丧失功能）如：发动机中曲轴、连杆的断裂；涡轮机叶片突然断裂；压力容器壳体开裂等；2.虽仍能工作，但不能完全规定的功能（功能衰退）如：发动机气缸套、活塞环严重磨损，间隙增大，发动机功能降低。3.能工作和完成规定功能，但不能确保安全，应更换维修。如：经长期高温运行的压力容器及其管道，内部组织发生变化，继续使用存在开裂危险；等。11第十一页，共八十二页，2022年，8月28日“失效”与“故障”“失效”与“故障”：二个名词概念不同、但又紧密相关。“系统故障状态”：因个别或少数几个零部件失效，导致机器、装备或系统无法正常工作，失去应有的功能，此系统就处于故障状态。系统故障状态：指局部的、可修复的、暂时的失效。若经更换或修复已失效零、部件，系统就能恢复正常；若失效零、部件过多或损伤过重而不能修复或不宜修复，则该系统完全失效报废。12第十二页，共八十二页，2022年，8月28日“失效”与“事故”“失效”与“事故”：因个别零件失效而引发系统中其他零、部件或子系统发生快速破坏，以致系统发生损失严重的整体失效，即“事故”。“事故”－－强调的是后果，即造成的损失和危害；“失效”－－强调的是机械产品本身的功能状态。“失效”和“事故”：两者有一定因果关系，但并无必然的联系。“事故”：可由“失效”引起的，也可其他原因造成的。13第十三页，共八十二页，2022年，8月28日“失效”与“废品”“失效”与“废品”：两名词含义不同。

“废品”：指不符合技术规范、标准或图纸要求、而又不宜返修的产品或零件。

“废品”：不具基本功能、尚未投入使用的零件或产品，故就不存在丧失功能的问题。但漏检的废品，可能在使用中产生失效。14第十四页，共八十二页，2022年，8月28日失效的随机性：早期适应性运行及晚期耗损达到寿命而失效，属可预料正常失效。在运行期间，在何时、以何方式发生失效是随机事件，还暂时无法预料。断裂失效与非断裂失效：机械零、部件产生断裂是失效－－断裂失效；而因磨损、变形或腐蚀使零部件尺寸变化等也称失效－－非断裂失效。断裂失效的灾难性：机械产品的失效是经常发生的，突如其来的断裂失效带来灾难性破坏，给生命和财产造成巨大损失。这在国内外工业发展史上是屡见不鲜的。15第十五页，共八十二页，2022年，8月28日重大失效案例1944年10月20日，美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气储储藏基地，一台直径21.3m，高12.8m的圆筒形储气罐，由于在1/3～1/2的高度处壳体破裂而喷出气体和液体，随后爆炸起火，20min后，另一台内径为17.4m的球罐因受热倒塌而爆炸，由此造成128人死亡，当时经济损失达680万美元。1979年9月7日，中国某化工厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使10t液氯外溢扩散，波及范围7.25Km2，致使59人死亡，779人中毒，当时统计的直接经济损失达63万元。16第十六页，共八十二页，2022年，8月28日重大失效案例1984年12月3日凌晨，在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司所属一家化工厂，因安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量毒气，造成2500人死亡。该市50万居民中有20万受到毒气侵害，其中2万人需住院治疗。后来美国公司赔偿150亿美元的损失费。1980年3月27日，北海的石油钻探船AlexanderKiellang号，由于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损失达几千万美元。17第十七页，共八十二页，2022年，8月28日重大失效案例1986年1月28日11时39分12秒（美国东部时间），美国“挑战者”号航天飞机，从佛罗里达州肯尼迪航天中心，第10次发射升空后73秒钟，到10英里上空，因助推火箭发生故障，突然爆炸，航天飞机被炸成碎片坠入大西洋。7名宇航员遇难，直接损失12亿美元，停飞近3年，为人类航天史上最严重一次载人航天事故。18第十八页，共八十二页，2022年，8月28日失效分析1.失效分析（FailureAnalgsis)机器零件的失效特别是断裂失效，危及人员生命及财产安全。为防止失效现象重复发生，提高产品质量，早在20世纪初，就开始对零、构件失效现象进行系统分析研究。随着工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器测试技术的进步，在对大量工程失效现象的行为规律与机理研究的基础上，逐渐形成了一门新的分支学科，即失效学，也称失效分析。失效分析：就是分析失效的原因，研究采取补救和预防措施的技术活动和管理活动。19第十九页，共八十二页，2022年，8月28日失效分析的目的：不仅要分析和判断失效原因，更重要找出有效的预防和补救措施，以防止同类事故重复发生，它是提高产品的可靠性、寿命的一项积极的工作。即为“坏事变为好事”。失效分析的重点：

1.分析失效的原因－－即所谓“失效诊断”。

2.采取相应预防和补救措施－－即“失效对策”。失效分析的依据：

1.机械产品的性能参数；

2.机械零件、设备和系统的可靠度分析（数理统计）资料；

3.机械零、部件的失效残骸。20第二十页，共八十二页，2022年，8月28日二、失效分析的意义和重要性1）失效分析：要找出失效原因，采取有效措施，使同类失效事故不再重复发生，可避免极大的经济损失和人员伤亡。2）促进科学技术的发展；

①19世纪工业革命，蒸汽机采用，促进铁路运输，但连续发生多起因火车轴断裂，列车出轨事故。

大量断轴分析和试验研究表明：裂纹均从轮座内缘尖角处开始。认识到：金属在交变应力下，即使应力远低于金属的抗拉强度，经一定循环积累，也会发生断裂，即“疲劳”。

“疲劳断裂”成为金属材料强度学中的一个重要领域，设计疲劳试验机，确立“疲劳极限”的概念，提出抗疲劳设计方法。21第二十一页，共八十二页，2022年，8月28日②二战期间，美国有4694艘焊接结构“自由轮”，有1289艘发生不同程度失效。其中：238艘断成两截或严重损坏而报废；

19艘沉没；

24艘甲板完全断裂。事故多发在美国－冰岛－英国的北大西洋低温寒冷航线上。22第二十二页，共八十二页，2022年，8月28日战后开展大量失效原因的分析研究，认识到：钢的“缺口敏感性”及“钢的低温脆化”。即碳钢和低合金钢存在脆性转变温度，在低于某一温度就会变脆（对缺口极为敏感）。因当时美国船舶技术标准没有对船体钢的“缺口敏感性”和“低温韧性”提出要求。由此提出了船体钢脆性转变温度的判据。钢的低温韧性转变特性：可很好解释焊接结构“自由轮”、钢制桥梁、压力容器、管道等在低温下工作的失效。23第二十三页，共八十二页，2022年，8月28日③40～50年代，美国发生数起电站设备的飞裂及英国皇家空军飞机坠毁事故。失效分析表明：钢中的氢（H）及夹杂物的有害作用。奠定了钢的氢脆基本理论，为此发展了碱性和真空冶炼技术，促使冶金技术的发展。24第二十四页，共八十二页，2022年，8月28日④

大型化工设备不锈钢零、部件断裂失效，受到关注。失效分析认识了金属在其敏感介质系统中，存在各类应力腐蚀开裂行为，并研究其产生机理。如：1965～1966年间，美国登月计划，用Ti-6Al-4V钛合金制成压力容器曾发生多起应力腐蚀断裂。此外，锅炉钢“碱脆”，黄铜弹壳的“季裂”；镁合金飞机构件存放期间的开裂；核反应堆冷却系统奥氏体不锈钢的开裂等均为应力腐蚀造成。25第二十五页，共八十二页，2022年，8月28日3）促进机械产品质量和安全可靠性的提高：零件失效：与设计、选材、制造、检验、安装等过程相关；通过失效分析，不断地将失效原因、预防措施等反馈到设计有关部门，进行相应改进，促进产品质量和可靠性提高。

A.向设计部门反馈：改进产品设计，完善技术规范；

B.向制造部门反馈：改进生产工艺，创制和推广新工艺。

C.向材料部门反馈：合理化选材，开发和研制新材料；

D.向用户反馈，健全和完善使用、维修制度。

失效分析：提高机械产品质量、创建名牌产品的必由之路。26第二十六页，共八十二页，2022年，8月28日4）失效分析是制订或修改技术标准提供的依据：如：美国制造“自由轮”的船用钢板，当时未提出韧性要求；脆性断裂失效分析结果规定：对船用钢板提出韧性要求：15英尺•磅。而英国在此基础上，收集大量试验数据，规定了在工作温度下，船用钢板的韧性：15～35英尺•磅。5）失效分析也是仲裁失效事故、开展技术保险业务及对外贸易中索赔的重要依据。

因此，失效分析在国民经济、科技发展中具有重要作用，在世界各国均受高度重视，已成为一门新兴的学科。27第二十七页，共八十二页，2022年，8月28日§1-2机械产品失效的分类

28第二十八页，共八十二页，2022年，8月28日失效的分类机械零部件（机件）的失效：机械零件因力（能量）、温度、介质等物理和化学的作用，而逐渐发生尺寸、形状、状态或性能的变化，并以特定的表现形式丧失其规定的功能。

特定的表现形式：即各种“失效形式”或“失效类型”。显然，不同物理和（或）化学过程对应着不同的失效形式。零件失效形式：受多种因素影响，其失效形式也很复杂。为揭示同类失效形式的本质，比较和鉴别各类失效形式，对各种失效形式进行科学的分类是必要的。29第二十九页，共八十二页，2022年，8月28日失效的分类方法失效的分类方法：也是多种多样的。为便于失效的研究、分析和事后处理，失效按以下三种方法分类：1、从技术观点分类：便于对失效进行机理研究、分析诊断和采取预防对策。2、从质量管理观点分类：便于管理和反馈；3、从经济法观点分类：便于事后处理。

本书将主要讨论从技术观点的分类。30第三十页，共八十二页，2022年，8月28日一、从失效分析技术观点分类一、从“失效分析技术”观点分类：主要是按失效模式和失效机理分类。失效模式：指失效的外在宏观表现形式和规律。失效机理：指引起失效的微观的物理化学变化过程和本质。两者相结合的分类：可实现宏观与微观相结合、由表及里地揭示失效物理本质和过程，为重要分类方法。按失效的宏观特征，可将机械零件失效分为：断裂失效、非断裂失效两大类或过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效三类。（一级形式）31第三十一页，共八十二页，2022年，8月28日（一）过量变形失效（一）过量变形失效：

机件在使用过程中，产生超过设计配合要求的过量变形。①

过量塑性变形失效（二级失效形式）如：花键轴扭曲的扭转变形失效；紧固螺栓的拉长变形失效；孔径的胀大超限失效；动力机械的高温蠕变失效；②过量弹性变形失效如：镗床的镗杠，刚性不足；弹性元件（弹簧）的永久变形失效等。32第三十二页，共八十二页，2022年，8月28日（二）断裂失效（二）断裂失效：

可分为：脆性断裂：断裂前无或很少发生宏观可见塑性变形。韧性断裂：断裂前产生显著的宏观塑性变形。疲劳断裂：在交变载荷下，经一定时间后发生断裂。环境介质引起的断裂、冲击断裂、蠕变持久断裂等二级失效形式。33第三十三页，共八十二页，2022年，8月28日疲劳断裂分类1、按应力高低分为：低周疲劳高周疲劳高低周复合疲劳失效等三级失效形式；2、按应力来源分为：机械疲劳失效和热疲劳等三级失效形式。机械疲劳失效：又分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉－压疲劳和接触疲劳等四级失效形式。34第三十四页，共八十二页，2022年，8月28日环境介质引起的断裂环境介质引起的断裂：材料与环境介质的相互作用，在应力作用下，常发生低应力延迟断裂，导致零件失效，也称为环境破断失效或环境诱发开裂失效。又有：应力腐蚀断裂、氢脆断裂、腐蚀疲劳断裂、辐射脆化、

液态金属脆化等三级失效形式。35第三十五页，共八十二页，2022年，8月28日（三）表面损伤失效（三）表面损伤失效：零件表面损伤失效可由磨损和腐蚀而引起的。磨损、腐蚀和断裂是工程构件三种主要的失效形式。断裂失效带来危害最大，但当机件表面损伤（磨损、腐蚀或接触疲劳及复合作用）使机件尺寸变小、光洁度下降，出现腐蚀坑、麻点、剥落等造成机件精度下降、振动增大，逐步发展，最终导致丧失功能（即慢性失效），此类损失也是惊人的。据统计，约有80％损坏的机件是因磨损而报废的。表面损伤失效：可分为磨损失效、腐蚀失效。36第三十六页，共八十二页，2022年，8月28日1、磨损失效1、磨损失效：当材料表面或与流体相互接触，并作相对运动（摩擦）时，因物理和化学作用，引起金属小颗粒逐渐从表面脱落的一种破坏现象，使材料表面形状、尺寸或质量发生变化的过程。磨损属正常现象，但当磨损超过允许值，导致构件功能丧失，则称为磨损失效。如：发动机中汽缸套与活塞环、轴瓦与轴、凸轮轴与杆等。磨损有多种形式，若按其产生机理可分为：粘着磨损、磨粒（料）磨损、腐蚀磨损、冲击磨损、微动磨损、氧化磨损、接触疲劳磨损等。37第三十七页，共八十二页，2022年，8月28日2、腐蚀失效2、腐蚀失效：腐蚀：机件表面在周围介质（酸、碱、盐）中发生化学、电化学反应或物理溶解而引起的表面损伤的现象。统计表明：世界上生产的钢铁约20％～40％因腐蚀失效而报废的，除直接损失外，因零件或设备腐蚀而引起停工停产、大量有害（用）物质渗漏，环境污染，甚至造成火灾、爆炸等重大事故，其损失比起金属本身的价值要高的多。金属腐蚀失效分类：常见分类方法：1）按金属与介质的作用性质区分：

金属腐蚀：化学腐蚀和电化学腐蚀两大类；38第三十八页，共八十二页，2022年，8月28日腐蚀失效分类（1）（1）化学腐蚀是金属表面与介质发生化学作用引起的，其特点是，在腐蚀过程中无电流产生。化学腐蚀：又可分为①气体腐蚀：金属在干燥气体中发生的腐蚀。如高温氧化；②在非电解质溶液中的腐蚀：金属在不导电溶液（有机液体）发生的腐蚀。（2）电化学腐蚀

在腐蚀过程中有电流产生的腐蚀。电化学腐蚀：按所接触的介质环境不同，可分为

①大气腐蚀：在潮湿气体（如空气）中进行的腐蚀；

②土壤腐蚀：埋设在地下的金属制品（管道、电缆）的腐蚀。

③电解质溶液中的腐蚀：在天然水和大部分水溶液（酸、碱、盐的水溶液）中的腐蚀，此为最为普遍的。④熔融盐中的腐蚀：化工容器、设备，盐浴炉中的金属电极。39第三十九页，共八十二页，2022年，8月28日腐蚀失效分类（2）2）按腐蚀破坏的形式区分：金属腐蚀：均匀腐蚀和局部腐蚀两大类；（1）均匀腐蚀：在整个金属表面上腐蚀均匀地发生；（2）局部腐蚀：腐蚀仅局限于一定区域内；虽不引起零件外形变化，但性能急剧下降，破坏突然。局部腐蚀：又可分为①斑点腐蚀：金属表面似斑点分布，面积大但不深；②点腐蚀：金属局部被腐蚀，孔小而深，严重时穿孔；③晶间腐蚀：腐蚀沿金属晶界进行，导致金属机械性能下降。④缝隙腐蚀：在金属与金属、金属与非金属间的缝隙处发生。⑤选择腐蚀：多元合金中某一组分优先溶解，如黄铜脱锌现象。40第四十页，共八十二页，2022年，8月28日3、腐蚀和磨损综合作用3、腐蚀和磨损综合作用－－腐蚀磨损失效：①“咬蚀”：

在载荷和一定频率振动条件下，在机件配合处表面产生微小滑动，所引起的一种表面损伤现象。它是机械磨损与化学腐蚀综合作用结果，磨损产物为氧化物，也称为“微动腐蚀磨损”。如：紧配合的轴颈处、拧紧的螺母与螺栓等处。41第四十一页，共八十二页，2022年，8月28日②“气蚀”：

发生在液体与机件接触处，因相对运动摩擦，液体在高压区形成涡流，气泡在高压区突然溃灭，产生较大循环冲击力，使机件表面疲劳损坏；加上液体介质化学、电化学作用，加速表面破坏。常在水泵零件、水轮机叶片、船舶螺旋桨、柴油机汽缸壁等。“汽蚀”特征：表面先产生“麻点”，在扩展为泡沫或海绵状穴蚀。42第四十二页，共八十二页，2022年，8月28日4、热疲劳4、热疲劳：

当零件处于变化的温度场使用时，因交变热应力的作用下，会产生“热疲劳”损伤。结果在零件表面产生表面裂纹（龟裂），它也是一种表面损伤失效。如：热锻模具、塑料模具等。43第四十三页，共八十二页，2022年，8月28日（四）裂纹失效（四）裂纹失效：1）工艺裂纹：各种零件在制造工程中产生的工艺裂纹及一些缺陷，虽不能算是失效，但也常需对其产生原因进行分析，采取相应措施加以避免的。其中工艺裂纹包括有：铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、机加工（磨削）裂纹等。2）使用裂纹：原先无裂纹，使用后发现的使用裂纹，则算是一种失效的形式，它属于局部断裂失效。（五）其他各种功能失效：如：紧固件在高温下的松弛－－紧固力下降；其他的各种光学、磁学、电学等的功能下降。44第四十四页，共八十二页，2022年，8月28日二、从质量管理和可靠性工程观点分类质量管理：是人们为了保证、改进和提高质量而从事的计划、组织、协调、审查、检验等一系列和控制的活动。

产品质量控制网“三性”（健全性、严密性和散布性）“失效”：是产品质量控制网“三性”（发生偏差（弱网、漏网和无网）的反映；失效分析：就是对质量控制网“三性”的实地检验。因此，失效分析是质量管理的重要组成部分之一。45第四十五页，共八十二页，2022年，8月28日可靠性工程：是运用系统工程的思路和方法，权衡经济利弊，把设备（或系统）的失效率降低到可接受的程度，从而进行合理故设计（可靠性设计）和管理的一门技术。

可靠性工程实质：就是预测、预防和控制失效的技术工作和管理活动，而“失效分析”则是可靠性工程的技术基础。失效从质量管理和可靠性工程的观点分类：即从

1.失效发展的过程

2.速度

3.失效的工程含义（即失效的整体性、可修复性和相关性）

来分类。46第四十六页，共八十二页，2022年，8月28日1、按产品失效的发展过程分类

1．按产品失效的发展过程分类：若以失效率－－单位时间内发生失效的概率－－来描述产品失效的发展过程，那末，在不进行预防性维修的情况下，设备、元件的失效率λ与其工作（使用）时间t

间关系成典型失效率曲线。因曲线的形状与浴盆相似故称为“浴盆曲线”。产品失效按其发展过程分类：对可靠性工程是十分有用的。47第四十七页，共八十二页，2022年，8月28日（1）早期失效期按照“浴盆曲线”的形状，即按产品失效的发展过程，可将整个失效过程分为三个时期：（1）早期失效期：在产品使用初期，易暴露设计和制造上的缺陷，产品早期失效率高。随着使用时间的延长，失效率则很快下降。“幼年期”

若产品出厂前，进行“老练“过程，即可靠性试验，那么，在产品使用时，从一开始便可使失效率大体保持恒定值。48第四十八页，共八十二页，2022年，8月28日（2）偶然失效期（2）偶然失效期：理想情况下，在产品磨损或老化前，应无“失效”的，但因环境偶然变化、操作时人为偶然差错或管理不善造成的“潜在缺陷”，仍有产品发生偶然失效。偶然失效率λ：是随机分布的、很低的和基本恒定的，又称为随机失效期，相当人的“青壮年期”。这是产品最佳工作时期。偶然失效率的倒数1/λ即为无失效的平均时间。

49第四十九页，共八十二页，2022年，8月28日（3）磨损失效期

（3）磨损失效期：经偶然失效期后，设备中元件已到寿命，失效率开始急剧增加，标志产品进入“老年期”，其失效称磨损失效，或磨耗失效。若在进入磨损失效期之前，进行必要的预防维修，其失效率仍可保持在偶然失效率附近，从而可延长产品的偶然失效期（使用寿命）。50第五十页，共八十二页，2022年，8月28日2、按产品失效发生的速度分类

2．按产品失效发生的速度分类：①突发失效；②渐进失效；③间歇失效。3．按产品失效的工程含义分类：①按其整体性可分为：系统失效，部件失效。②按其修复可能性可分为：暂时失效，永久失效。③按其相关性可分为：独立失效和从属失效；或分为：关连失效和非关连失效等。51第五十一页，共八十二页，2022年，8月28日三、从“经济法”的观点分类

三、从“经济法”的观点分类：机械产品失效会造成一定的经济损失、甚至人员的伤亡，往往会引起赔偿和责任的诉讼。失效按“经济法”的观点分类：是为分清和判处失效的法律责任和经济责任。此分类方法在处理索赔的失效事件时尤为重要。1．按失效的责任分类：

①产品本质缺陷失效；②误用失效；③正常的磨损(或耗损)失效；④外界影响失效。52第五十二页，共八十二页，2022年，8月28日2．按失效的后果分类：①恶性失效；②致命失效(灾难性失效)；③退化失效。3．按失效的程度分类：

①完全失效；②部分失效53第五十三页，共八十二页，2022年，8月28日§l-3失效分析的工作内容

54第五十四页，共八十二页，2022年，8月28日失效分析的工作内容失效分析的工作内容：包括三个方面（1）失效分析的业务工作（即“门诊”工作）；（2）失效分析的研究工作（即“机理研究”）；（3）失效分析的管理及技术反馈工作（即“事后处理”）。一、失效分析的业务工作：包括两个方面①产品的失效分析（事后分析）；②产品的安全度评定和剩余寿命的预测（事前分析）。55第五十五页，共八十二页，2022年，8月28日1）产品的失效分析（1）失效事件分析的全过程：一般包括三个阶段侦测－－－－(Detection)

诊断－－－－(Diagnosis)

事后处理－－(Prognosis)

简称：DDP，也称为失效分析工作的三要素。即利用各种“侦测”手段，调查、侦查、测试和记录有关失效的现场、参数和信息；(现场调查)通过“诊断”，鉴别和确定产品失效的模式、过程、原因、影响因素和机理；（实验室研究）经过“事后处理”，研究采取补救(服役件)、预防措施及其它技术、管理的反馈活动。56第五十六页，共八十二页，2022年，8月28日（2）产品失效分析的重点：产品的早期失效事件、突发性失效事件以及致命的失效事件，因这些失效事件的分析事关重大或关系到全局。（3）失效分析的深度：依分析目的和要求不同而异。①作为法律依据：主要是要判定失效程度、后果和责任方面；

②作为整顿质量管理的线索和获得可靠性工程的数据：一般希望确定失效发生的阶段、对策等；③为研究和掌握产品失效规律及内在本质：则应着眼于失效模式、机理、影响因素和控制参量的定性或定量的研究。57第五十七页，共八十二页，2022年，8月28日（4）失效分析的方法和内容：按产品发展阶段不同也各不相同。①试制阶段：失效原因常与设计因素有关，

应与设计人员密切配备，有利于失效原因正确诊断，且分析结果能迅速反馈；②试生产阶段：失效原因多半与工艺因素有关，

应与工艺技术人员相结合；

③定型生产阶段：失效原因一般与管理因素有关，

应着重考查质量控制网的健全性、严密性和散布度，也应将用户和修理行业纳入到失效分析体系中来。58第五十八页，共八十二页，2022年，8月28日2）产品的安全度评定和剩余寿命的预测（1）产品的安全度或产品的可靠度R(t)：

产品的安全度：指产品在规定条件下和规定时间内，能够完成规定功能的概率。相对于产品失效率F(t)

概念而言的，即

R(t)＝1－F(t)①产品安全度评定：定量地计算产品工作到某一时刻t尚能满足规定功能的概率。或者，估算产品工作到某一时刻t，在尚能满足功能的产品中，在此后单位时间内发生失效的概率。59第五十九页，共八十二页，2022年，8月28日②产品剩余寿命的预测：实质是偶然失效率λ的估算问题。

产品剩余寿命预测：即估算产品无失效平均工作时间t

。平均工作时间：偶然失效期失效率λ的倒数，即t＝l／λ。产品安全度评定剩余寿命的预测都是失效分析重要的业务工作之一。60第六十页，共八十二页，2022年，8月28日产品安全度评定和剩余寿命预测工作重点：主要是对重大的机械产品和带缺陷产品。评定和预测工作关键：通过可靠性试验，获得产品在各种模拟的使用条件和环境条件下，

①可能会有哪种失效模式；

②对产品功能会产生什么影响；

③严重程度如何；

④发生失效的概率有多大；

⑤应如何预防等方面的资料和数据。这些资料和数据经失效分析来修正后，才使评定和预测结果接近于客观实际。61第六十一页，共八十二页，2022年，8月28日二、失效分析的研究工作二、失效分析的研究工作：包括四个方面①失效物理的研究；②失效机理的研究；③失效诊断的研究；④失效预防工程技术方面的研究。62第六十二页，共八十二页，2022年，8月28日1）失效物理的研究工作失效物理（可靠性物理）：在原理上，从原子和分子的角度出发，来解释元件、材料失效的现象。失效物理基础：是数理统计方法、可靠性工程和材料科学工程学。失效物理基本研究工作内容：1.失效物理模型定性及定量的描述方法；2.失效物理模型的识别及其应用。63第六十三页，共八十二页，2022年，8月28日基本的失效物理模型基本的失效物理模型有：主要有理化模型和概率模型两类。

1、界限模型与耐久模型；

2、应力－强度模型；

3、反应论模型；

4、失效率模型；

5、最弱环模型（串联模型）；

6、“绳子”模型（并联模型、最大寿命系统）；

7、退化模型或损伤累积模型等，内容十分丰富。64第六十四页，共八十二页，2022年，8月28日1、界限模型与耐久模型1、界限模型与耐久模型：界限模型认为：材料失效有以下两种情况：①当应力超过某界限时，即引起失效，如弹簧：当应力超过材料弹性极限时，发生永久变形而失效。②当能量积累超过某极限时，也会引起破坏，如脆性材料，当裂纹前端积蓄的弹性应变能G1大于其临界值G1c时，裂纹失稳扩展而脆断。耐久模型认为：在能量积累到使产品破坏程度的过程是需要时间的，在此时间内，材料本身因蠕变、磨损、疲劳、腐蚀等原因可能出现弱化，故也称“退化模型”。65第六十五页，共八十二页，2022年，8月28日2.应力－强度模型2.应力－强度模型:材料力学认为：当外加应力超过材料极限强度，失效即刻发生。经典设计：引入安全系数，即强度留有余量，但经一段时间服役后，材料强度弱化，应力就有可能超过材料强度极限，而使材料失效。66第六十六页，共八十二页，2022年，8月28日3.反应论模型3.反应论模型：认为：材料损坏或退化，都因微观上原子、分子变化引起；“反应”：含化学反应（热、介质）、物理变化（变形、应力、质量、磨损、扩散、裂纹扩展等引起内部平衡破坏，产生“化学反应”、结构变化等原因，当有害的“反应”持续到某限度，失效便发生。反应前正常态→反应后退化态的过程，所需能量（激活能）。激活能：由外界环境（“应力”）提供的。67第六十七页，共八十二页，2022年，8月28日4.串联模型与最弱环模型4.串联模型与最弱环模型：属于概率模型。设装置、系统由n个要素构成，且各要素独立，若其中任一要素失效都会导致系统故障，则该系统为串联系统，等价模型为串联模型。整体可靠性Rs(t)：为系统各独立部件的可靠性Ri(t)之积。

Rs(t)=R1(t)·R2(t)…Rn(t)系统失效率：为各部件失效率之和。

λs(t)=λ1(t)+λ2(t)+…+λn(t)1n载荷68第六十八页，共八十二页，2022年，8月28日串联模型：恰是链条，构成链条的某一个环断了，链条也就断了。这些环中最弱者（寿命最短者）确定了链的寿命。串联模型：也称最弱环模型、链环模型或最小寿命系统。69第六十九页，共八十二页，2022年，8月28日5.并联模型与绳子模型并联模型：与串联模型相反，若系统组成要素中任一个发生失效，系统照样能处于可靠状态；只有当所有要素同时失效时系统才发生故障。并联系统可靠度：最高，比各要素的可靠度都高，并联模型：似“绳子”，由若干细条组成，同时承受载荷。若某一细条断了，其余各细条承受载荷增加，即各细条间并不完全独立，故并联模型也称“绳子”模型。并联系统寿命：取决于最可靠的、寿命最长的结构要素，也称最大寿命系统。载荷1n70第七十页，共八十二页，2022年，8月28日2）失效机理的研究工作失效机理：研究失效的物理、化学原因、失效过程及其影响因素等。

失效物理研究：研究各种失效模式（模型）及其应用；相当于“病症”。失效机理研究：研究各种失效本质（物理、化学原因）和过程；即“病理”。

具体地说，失效机理：主要

①研究外部因素如：应力、温度和环境等对失效的影响；

②研究内部因素如：材料成分、组织结构和性能等的影响。71第七十一页，共八十二页，2022年，8月28日失效机理的研究：不仅对单一的失效机理，要特别加强各种复合失效机理的研究；如：高温疲劳、应力腐蚀、腐蚀疲劳、疲劳磨损、蠕变疲劳、微振磨损、冲蚀磨损等。失效机理的研究：是失效分析重要的理论基础。只有在深入研究失效机理的基础上，才能正确进行的失效分析工作；反过来，大量地、深入地开展实际的失效分析工作，又将进一步加深对错综复杂的复合失效机理的认识。失效机理研究是基础，失效分析工作是实践。72第七十二页，共八十二页，2022年，8月28日3）失效诊断的研究工作3）失效诊断的研究工作：

失效诊断：就是分析、判断失效原因的思维学和方法论。

失效的诊断研究：一般包括三个方面①失效诊断依据的研究；②失效诊断思路的研究；

③失效诊断技术与方法的研究等。73第七十三页，共八十二页，2022年，8月28日①