第一章-失效及失效分析的概念

第一章失效及失效分析的概念本章内容摘要 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 内勤工作内容及职责内勤的工作内容售后工作内容财务人员工作内容软件开发工作内容 ； 失效分析与其他学科、技术间的关系。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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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。 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。 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。 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。§1-1失效及失效分析的定义意义和重要性一、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。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”。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。“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。“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。“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。 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。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。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。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。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。 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。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。 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。 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。 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。 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。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MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713863456027_1。 失效分析：提高机械产品质量、创建名牌产品的必由之路。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。§1-2机械产品失效的分类失效的分类 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。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。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）（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。（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。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。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。（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。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。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；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。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。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。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。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。（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。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。 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。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。（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。（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。（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）。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。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。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§l-3失效分析的工作内容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）。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 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 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。（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。（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。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。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。 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。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。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。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。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”。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。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。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 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。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1n2）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。 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。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。①失效诊断依据的研究①失效诊断依据：由各方面获得信息，作为综合判据。 1.产品性能参数与工况：工况分析及状态监测和失效诊断密切相关，既是失效诊断依据，又是失效预防措施之一； 2.产品可靠度统计资料：进行失效诊断，实质就是进行产品的可靠度计算、评定和剩余寿命的估算工作； 3.失效残骸分析：是最常用的失效诊断方法。 失效残骸诊断术：通过对残骸断口、裂纹、应力、材质、工艺、工作环境的综合分析，对失效原因作出正确判断，并提出补救和预防措施。②失效诊断思路的研究 ②失效诊断思路研究：即研究失效诊断的逻辑思维或推理判断的方法和程序，包括逻辑推理、判断和电子计算机在失效诊断方面应用等，其中： 失效形式及影响分析法——FMEA法， 失效模式及影响危险度分析法——FMECA法、 失效树法——FTA法、 现象树法——ETA法、 特性因素法等应用较多。 目的和任务：要完善、发展和推广应用各种逻辑诊断思路。③失效诊断技术的研究③失效诊断技术研究：指用什么仪器设备和技术方法；如： 材质分析：可用无损探伤、金相分析、断口分析、化学分析、力学性能测试等多种物理、化学的方法。 了解各种分析技术方法原理、优缺点和应用，指导分析者正确选用，以获得必要而充分的信息和数据，作为失效诊断的有力依据。 失效诊断技术研究：应注重： 1.各种分析技术方法优缺点、应用范围； 2.对同一目的，不同方法间横向比较和正确选用上; 3.不应注重各种方法的理论或仪器具体构造细节。4）失效预防的研究工作 失效预防研究工作：探讨各种补救措施、预防方法和管理途径，失效分析成果反馈，以防止同类失效事故重复发生。 失效预防研究工作：范围很广，包括 机械系统或设备的性能参数分析和诊断技术； 工况监测方法、技术； 产品安全度评定和剩余寿命估算； 失效预防工程方法； 如：断裂失效临界状态评定和预测方法－－失效评定图、断裂控制图、蠕变机制图和疲劳机制图等的建立、研究开发和应用推广。 还有，产品失效维修原则、技术、方法等的研究。三、失效分析的管理和技术反馈 失效分析的管理和技术反馈：应该包括 全国性、部门性、地区性失效分析和管理机构的建立； 失效分析技术指导性文件、规程和标准的颁布和实行； 失效事件分析工作的组织和管理； 失效研究工作的组织和开展； 失效及可靠数据库和技术反馈系统的建立和运转； 各级失效分析人员的培训和提高等。 失效分析定义：把“管理活动”当作失效分析不可缺少的内容和环节之一。§l-4失效分析与其他学科、技术之间的关系一、失效分析与基础学科的关系 机械失效学：是一门交叉、边缘、综合的新兴学科，它与多种学科和技术有关。基础学科与机械失效学相结合，形成不少边缘学科，例如，一、失效分析与应用学科、技术的关系 机械失效学：与许多应用学科、技术有密切的联系。“机械”－－对象，应了解与机械学有关专门知识；“材料”－－裁体，涉及材料科学和工程领域的各种知识；“环境”－－发生的条件，与环境科学知识有关；“检测”－－信息获取的重要途径和手段，离不开宏观和微观的各种检测的知识；“分析”－－核心，涉及逻辑学和数理统计有关的专门知识； 失效分析：还是一种“管理活动”，失效分析成果的反馈，又与管理科学的专门知识有关。第一章结束