机械零件的失效分析思路与基本知识介绍

机械零件的失效分析思路与基本知识介绍2014.04.182主要内容术语与失效分析的目的1机械零件失效的类型2失效分析的基本程序3失效分析常用的分析手段及选用原则4失效分析思路训练6失效分析工作在汽车领域中的作用51.术语与失效分析目的根据公安部提供的数据，截至2013年底，我国汽车保有量达1.37亿辆，是2003年的5.7倍。随着经济社会的发展，汽车快速进入千家万户，近十年汽车年均增加1100多万辆。引言中国汽车厂及零部件供应商起步晚，产品设计、零部件制造、整车装配、质量管理等环节均在不断提高阶段零件失效现状：用户，对汽车保养、正确使用知识及经验欠缺，货车超载现象严重失效分析是从现在入手着眼于未来、从失败入手着眼于成功的科学。我国于1980年在中国机械工程学会材料分会内成立了失效分析委员会，每二年组织一次全国性的机械行业失效分析学术交流会,组织全国性的失效分析工作。自1983年起，将失效分析课程列为工科院校材料科学与工程类专业的必修课程，清华大学、浙江大学则列为机械类或工科类学生的选修课和研究生课程。1998年成立我国机械工程学会失效分析学会（二级独立学会）。如今，失效分析已对提高产品质量和可靠性，改进设计与工艺，新材料的发展，进行事故仲裁，完善技术标准和提高经济效益等方面起着作用。此次培训的主要目的:让从事机械零件的产品、工艺、材料及质量分析人员了解失效分析的工作程序及其作用，以便在产品失效后能正确处理及保护好失效件或在寻找失效原因工作中少走弯路，使从失效分析中找出的原因能为今后的质量改进提供依据。使产品质量不断提高。失效分析工作在我国的现状是指进入商品流通领域后发生故障的零件失效件是从零件的服役条件出发，从外部现象和内在因素来判断失效模式，揭示失效原因，研究失效事故处理方法和预防措施，防止类似事故再发生的技术活动及管理活动,统称失效分析。失效分析当由于某种原因使得此零件丧失它应有的功能时，或因受严重损伤不能安全可靠地继续工作时，则称之为失效。失效名词解释：是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件废品件形状、尺寸、材料性能1.判断零件失效性质，提高产品质量。2.分析零件失效原因，为事故责任认定、赔偿、保险、修改产品质量标准提供依据。3.质量改进及失效的预防，避免同类零件的失效现象重复发生。4.对缺陷产品的风险评估，为决策者提供参考信息。失效分析的目的：失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确,而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。任一产品不可能有无限使用寿命，从技术和经济上考虑，也没有必要要求机械零件永不失效，而是要求生产出的零件在给定的寿命期限内不发生早期失效或者把产品失效限制在给定的范围内。7对象：是在使用中的产品。这些产品通常是经过出场检查合格的，即符合技术标准要求的产品（个别漏检的废品除外）主要目的：是寻找失效原因。漏检和技术标准不合理都可能是失效的原因，如果是后者，则应对技术标准进行修改。失效分析失效分析与废品分析的区别对象：是不符合技术标准的产品及半成品。主要目的：是寻找产品为什么不符合技术标准的要求原因。至于产品的技术标准是否正确则不属于废品分析要解决的问题。分析方法及手段相同，但分析对象、分析目的及判断的依据不同废品分析82.机械零件失效的类型三种类型表面损伤失效断裂失效尺寸失效由于过载、超温、腐蚀、疲劳、氢脆、金属脆…等原因造成的失效如腐蚀冲刷、咬蚀、汽蚀而使零件表面损伤失效。轴承或齿轮表面由于接触疲劳而产生麻点剥落。零件在长期工作中，由于磨损、腐蚀、磨蚀等原因造成零件尺寸变化超过了允许值而失效。如:活塞、冲模、齿轮、轴颈等及由于时间效应导致的尺寸变化如：高温蠕变、低温蠕变、紧固螺栓拉长、喷油嘴涨大导致尺寸超限等。93.失效分析的基本程序一个机械零件的失效过程除与受力状态有关外，还与材料性能，温度，介质等环境因素有关。因此，对一个机械零件进行失效分析不仅要了解该件的服役状况，而且还要从产品设计，选材，冷热加工，制造工艺，装配等方面进行调查，分析，验证，找出引起失效的主要原因。显然涉及面较广,但是也并非所有失效件都要全部按这些项目一一分析，对一个简单的失效件，失效分析过程也相应简单，无关因素可相应省略。先无损后破坏先简单后复杂先宏观后微观基本原则零件失效的起源来自于零件的最薄弱处，遵循木桶的短板效应10失效分析的基本程序及意义：失效分析程序视失效件的具体情况而定。对一个较复杂的失效必须设置一个程序，否则的话，不仅会影响工作进展，还会漏取数据，甚至把先应取的数据被另一提前的步骤给毁掉。例如，对一断裂件，在还未进行断口分析前就把断口破坏进行材质分析，因此而失去了断裂形式的判断机会，对分析的结论也将受到影响。分析报告材料分析（理化分析）对失效总成件的宏观分析情况调查验证试验失效分析故障树法12痕迹分析理化分析失效情况调查断口分析裂纹分析宏观分析4.失效分析的常用分析手段及选用原则13对失效零件的失效情况调查是失效分析的第一步，也是很重要的一步。了解与失效件有关的背景材料和现场情况，失效件的服役条件，使用功能，设计要求,工作经历等。4.1失效情况调查此阶段的主要工作对汽车零件失效件而言，即：汽车的使用日期及生产日期、汽车的行驶里程，汽车服役地区及服役中的环境介质情况，与失效件的相关件情况，该零件的设计要求与技术参数等；台架试验的性质、运行寿命等。在有些难以用文字叙述的情况下，对失效件损坏的外貌拍照也是必不可少的一项内容。14⑴善于对待不同意见，甚至互相矛盾的意见。在调查中各类有关人员（维修服务站、司机、交警、设计、工艺、材料、检验、零件供应商等）中，其在工作经历、工作性质、知识和认识水平、对情况的了解程度等方面有差异，甚至还有涉及个人的责任和利益的问题，所以他们所反映的情况、看法和意见是不同的，在这种情况下不要急于判断其是非。失效情况调查阶段的注意点⑸不遗漏任何细节:注意收集相关细节，包括断裂后的小碎片–举例说明⑷做好书面纪录:对那些有关失效因果关系的见解、列举的征兆和症状、根据、疑点和线索等及时记录下来，加以归纳整理.⑶照相技术的正确运用突出拍照的关注点，避开无关内容；考虑照片反差，避免复印件无法识别图像；注意金属零件的反光点，避免造成误解或信息损失。⑵切忌主观臆断或先入为主的偏见。应将了解到的情况进行客观分析不应以是否符合自己的设想而决定其取舍。案例:哥伦比亚失事飞机的调查：为了查清原因，由材料和工艺的工程师及科学家组成调查组，从2003－2月1日到4月4日，共17,400个电话、电子邮件、报告等，见了2,900个目击证人，收到700分照片和录像以及报告，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8.4万片大约38％飞机的残骸进行分类和重新组装，分析飞机残骸及碎片的飞离方向--简便、迅速、试样尺寸不受限制、不必破坏断裂零件、观察范围大;--能观察与分析破断全貌、裂缝和零件形状的关系、断口与变形方向的关系、断口与受力状态（主应力与切应力）的关系；--能够初步判断断裂起源位置、断裂性质与原因；--缩小进一步分析研究的范围，可为进一步分析取样部位和数量的确定提供线索和依据。4.2宏观分析宏观分析方法是破断故障分析中最方便、最常用、最重要的不可缺少的步骤和方法，是整个失效分析的基础。宏观分析法的特点:17借助肉眼、放大镜及体视显微镜对失效件进行全面观察，并进行首先破坏件的判断、残骸拼凑、裂纹起始位置判断、零件表面状况、油脂损失情况及零件腐蚀情况等。此阶段的主要工作此阶段注意点观察故障件是否有变形，弯曲，颈缩及断裂裂纹发展方向等，以初步判断零件工作过程中的受力方向，应力状态，进而初步推断导致失效的几种可能性。观察零件表面有无过烧，摺迭，斑疤裂纹等热加工缺陷，有无机加工刀痕，刮伤，划痕等机加工缺陷,进而判断冷热加工质量。观察零件是否有腐蚀，磨损，接触疲劳麻坑等缺陷，以及其相关件的工作情况18痕迹分析不仅可对事故和失效的发生、发展过程作出判断，并可为分析结论提供可靠的依据。痕迹的定义：“环境作用于系统，在系统表面留下的标记称为痕迹”。在机械失效时，定义中的“系统”即为“机械”，而“环境”中的力学、化学、热学、电学等因素“作用”于机械，在机械表面及表面层所留下的损伤性标记，便是痕迹。痕迹标记包括表面形貌(花样)、成分(或材料迁移)、颜色、表层组织、性能、残余应力以及表面污染状态等的变化。痕迹分析就是对上述变化特征进行诊断鉴别，并找出其变化的过程和原因，为事故和机械失效分析提供线索和证据。4.3痕迹分析19根据痕迹形成机理和条件的不同，可以把痕迹分成以下几类：机械接触痕迹（如：压痕、划痕、粘着痕迹、摩擦痕等）腐蚀痕迹电侵蚀痕迹（电腐蚀损伤痕迹、电接触粘附、电磨损痕迹等）污染痕迹分离物痕迹热损伤痕迹（热冲击、热腐蚀、低熔点金属的热污染等）加工痕迹痕迹的分类断口分析是断裂失效分析中相当关键及重要的一步。因为断口总是忠实地记录着断裂的原因，过程和瞬间的状况。因此断口分析是整个断裂失效分析的重要组成部分和必不可少的步骤。4.4断口分析断口学：断口是试样或零件发生断裂所形成的断面。断口以形貌特征记录了材料在载荷和环境作用下断裂前的不可逆变形，以及裂纹的萌生和扩展直止断裂的全过程。断口学就是通过定性和定量分析来识别这些特征，并将这些特征与发生损伤乃至最终失效的过程联系起来，找出与失效相关的内在或外在原因的科学技术。扫描电镜的问世，使断口的微观细节分析成为可能，直接促进了断口学的完善。21借助放大镜、体视显微镜及电子显微镜对失效件断口进行观察与分析，通过断口分析确定断裂性质、疲劳源位置、寻找首先破坏件。观察断口的颜色、粗糙度、花纹、唇口、边缘情况、微观特征，进而确定断裂失效的方式，断裂源的位置等。（如脆断、韧性断及疲劳断、它是受到什么方向和什么种类的载荷而破坏）。注意断口保护,避免手指触摸和擦试断口表面；切不可试图把断裂部件的破碎片互相接触对齐以恢复其原状，以免破坏断口表面；尽量避免用水洗涤断口表面，当必须用水洗时，需用丙酮或酒精漂洗吹干后才能储存到干燥器皿中.此阶段注意点氢脆断口断口分析阶段主要工作22断裂前发生明显的塑性变形；断口表面成纤维状；断口的颜色呈灰暗色；断口外貌呈杯锥状，此时主应力垂直于杯锥低，锥面平行于最大切应力，与主应力呈45º角；断口平行于最大切应力时，与主应力呈45º角的剪切断口。韧性断裂的断口一般能寻见纤维区和剪唇区。韧性断裂一般由超载引起。纤维区一般是断裂源区。剪切唇总是在断口的边缘，并与构件的表面约成45°夹角。在电子显微镜下的微观形貌通常有韧窝韧性断口特征：23脆性断口特征：断裂前无塑性变形，断口附近无缩颈现象；断口一般与正应力垂直；断口表面平齐，断口表面无剪切唇；断口颜色有时比较光亮，有时比较暗灰（但仍比韧性金属的纤维状断口要亮）；当转动断口时，断口上呈现闪闪反光的小平面；较灰暗的脆性断口则呈现无定型的粗糙表面，有时也出现晶粒的外形…钢板一种脆性断口断裂源判断方法：脆性断口有时还具有另一种特殊的宏观形貌特征，呈现出裂纹急速扩展形成的放射状撕裂棱形，即所谓人字状条纹、山形条纹或松枝状花样等，它们的交点均指向裂纹源，即山形条纹汇集的方向和人字条纹所指的最终方向即为断裂的起点，而裂纹的扩展方向则为山形或人字扩大方向。脆性断裂的主要特征1.零件断成两部分或碎成多块2.断裂后的残片能很好地拼凑复原,断口能很好地吻合,在断口附近没有宏观的塑性变形迹象3.脆断时承受的工作应力很低,一般低于材料的屈服强度4.断裂的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始5.温度降低,脆断倾向增加6.脆断断口宏观上平直,断面与正应力垂直,断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹26疲劳断口特征：疲劳断口示意图最后断裂区裂纹扩展区疲劳源区三个区域低强度钢中疲劳辉纹疲劳裂纹的形成示意图1.它可能在名义应力远低于材料的屈服强度，甚至弹性极限以下发生；2.它对材料缺陷、零件形状、表面状态和环境条件等因素都非常密感。3.它属脆性断裂，直至零件突然断裂前，都没有明显的宏观塑性变