失效分析机电工程学院何敏U n R e g i s t e r e d“失效分析”课程简介对广大同学而言，失效和失效分析也许是一个陌生的概念。

然而在我们的周围，大到各种机械零件，工程设备，运输机械，锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，不管你意识到没有，失效却总是在发生着。

失效——各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。

当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。

失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有效地避免或减少这些损失。

U n R e g i s t e r e d11零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：失效failure“失效”与“事故”要区分“失效”与“事故”，这是两个不同的概念。

事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。

同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。

（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；（2）零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。

U n R e g i s t e r e dU n R e g i st e r e dderetsigeRnUderetsigeRnU“失效分析”课程简介通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。

就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。

它的任务是既要揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，又要找出纠正和预防失效的措施。

失效分析Failure Analysis ——U n R e g i s t e r e d按照失效分析工作进行的时序（在失效的前后）和主要目的，失效分析可分为事前分析、事中分析和事后分析。

失效分析学的显著特点：一是实用性强，即它有很强的生产使用背景，与国民经济建设存在着密切关系；二是综合性强，即它涉及广泛的学科领域和技术部门.事前分析，主要采用逻辑思维方法（如故障树分析法、事件时序树分析法和特征—因素图分析法等），其主要目的是预防失效事件的发生。

事中分析，主要采用故障诊断与状态监测技术，用于防止运行中的设备发生故障。

事后分析，是采用实验检测技术与方法，找出某个系统或零件失效的原因。

U n R e g i s t e r e dderetsigeRnU138失效分析工作涉及的领域：q 制造业机械设备、汽车、工程机械、飞机、航天器、舰船、各类金属构件等等，促进产品质量提高，提高管理水平，设计、开发新品q 设备用户设备运行监测，设备失效监控，可靠性，索赔q 管理机构制订政策、监督机制q 进出口检验监督检验监督q 法律界由于失效导致的重大事故的法律责任的认定q 保险机构保险赔付的认定及额度q 科研、教育机构失效机制、分析方法研究，人员培训q 其它Un Re gi st er ed71.2 失效分析的意义——可产生巨大的社会经济效益；有助于提高管理水平和促进产品质量提高；有助于分清责任和保护用户（或生产者）利益；为新产品开发提供依据；是修订产品技术规范及标准的依据；Un Re gi st er ed促进材料科学与工程及其相关学科的发展。

1.材料强度与断裂“断裂力学与断裂韧度”“疲劳与疲劳极限”，“氢脆与应力腐蚀”2.材料开发与工程应用Un Re gi st er ed16失效分析的现状与发展趋势国外状况国内状况发展趋势Un Re gi st er ed9德国的机器失效分析与预防q 政府方面：原西德11个州建立了523个材料检验站，分别承担负有专长的失效分析任务。

鼓励私人投资成立例如格林失效研究及失效防止研究所一类的机构。

q 大学中的国立材料检验中心：加强工科大学的国立材料检验中心，使其真正成为在技术上处于领先地位的权威单位。

如斯图加特大学的材料检验中心，300余人，年经费约2亿马克（一半来自企业，一半来自政府）。

q 阿里盎兹技术保险公司：为了降低所保险范围内的失效事故率，加强竞争能力，该公司技术中心拥有专职人员130余人，每年的设备投资平均为100万马克。

公司拥有340多名专职技术保险工程师，业务重点是研究和预防造成十万马克以上损失的事故。

q 企业和制造公司：加强了各自研究发展中心对其产品寿命及可靠性的研究，如本兹汽车公司，拥有先进的分析手段和雄厚的技术力量。

Un Re gi st er ed美国NASA ：航天航空局ASM ：金属学会ASME ：机械工程师学会ASTM ：材料与试验学会Un Re gi st er ed10课程的主要内容：失效与失效分析的意义、现状与发展趋势；失效分析基础；失效分析的方法及程序；断口的宏观分析；断口的微观分析；过载断裂失效；疲劳断裂失效；材料致脆断裂失效；环境致脆断裂失效；蠕变断裂失效；腐蚀与磨损失效；产品质量与失效；典型零件失效分析实例。

Un Re gi st er ed10教材与参考书：v 孙智等，失效分析，机械工业出版社v 查理R.布鲁克斯等，工程材料的失效分析，机械工业出版社v 陈南平等，机械零件失效分析，清华大学出版社v 机械工程学会材料学会，失效分析丛书，机械工业出版社(12本）Un Re gi st er ed2失效分析基础知识U n R e g i s t er ed2.1机械零件失效形式与来源2.1.1 失效的主要形式及其原因断裂失效的分类失效分析工作者通常从致断原因（断裂机理或断裂模式）的角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型：（1）过载断裂失效；（2）疲劳断裂失效；（3）材料脆性断裂失效；（4）环境诱发断裂失效；（5）混合断裂失效。

Un Re gi st er ed2.1.2 失效的来源引起零件早期时效的原因是很多的，主要有以下几方面：1、设计与选材上的问题；2、加工、热处理或材质上的问题；3、装配上的问题；4、使用、操作和维护不当的问题。

据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工方面的问题占56%以上。

这是一个重要方面，在失效分析和设计制造中都应引起足够重视。

Un Re gi st er ed2.1.2 失效的来源1、设计问题（1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；（2）应力计算方面的错误。

对于结构比较复杂的零件，所承受的载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误。

（3）设计判据不正确。

由于对产品的服役条件了解不够，设计判据的选用错误造成失效的事例也时有发生。

2、材料选择上的缺点（1）选材的判据有误（2）材料中的缺陷Un Re gi st er ed枝晶间的缩孔夹杂Un Re gi st er ed2.1.2 失效的来源3、加工制造及装配中存在的问题加工方法不正确，技术要求不合理及操作者失误也是引起设备过早失效的重要原因。

热处理不当也是常见的失效原因之一。

常见的有过热、回火不充分，加热速度过快及热处理方法选用不合理等。

热处理过程中的氧化脱碳、变形开裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要求等时有发生。

酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也是常见的失效形式。

不文明施工，不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效。

Un Re gi st er ed2.1.2 失效的来源4、不合理的服役条件不合理的起动和停车、超速、过载服役、温度超过允许值、流速波动超出规定范围以及异常介质的引入都可能成为设备过早失效的根源。

Un Re gi st er ed2.2 应力集中与零件失效deretderederetsigeRnU2、影响应力集中与断裂失效的因素（1）材料力学性能的影响材料硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中作用越强烈，其裂纹扩展速率也越高。

（2）零件几何形状的影响（3）零件应力状态的影响（4）加工缺陷的影响（5）装配、检验产生缺陷的影响Un Re gi st er ed（2）零件几何形状的影响零件在应力集中处产生疲劳裂纹示意图零件在应力集中处产生淬火裂纹示意图Un Re gi st er ed降低应力集中系数的措施：1 采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度（1）表面处理强化（2）薄壳淬火（3）喷丸强化（4）滚压强化2 从设计方面降低应力集中系数（1）变截面部位的过渡，加大圆角或改变方式（2）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔Un Re gi st er ed降低应力集中系数的措施：（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔Un Re gi st er ed2.3残余应力与零件失效内应力：物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。

3类内应力：（1）存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上。

（2）晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力（3）原子尺度范围保持平衡的应力：晶体内的不均匀残余应力，位错引起的不均匀变形应力。

内应力产生的根本原因？Un Re gi st er ed2.3.2 残余应力的产生（1）热处理残余应力是热应力和组织应力的叠加。

脱碳层形成残余拉应力（2）表面化学热处理引起的残余应力渗碳，渗氮后表层为残余压应力（3）焊接残余应力焊接是较容易产生残余应力的材料成型方式。

在焊缝及热影响区由于焊接的热应力，组织应力和拘束应力共同作用产生复杂的残余应力场。

焊接应力形成原因：a.直接应力：不均匀加热的结果。

b.间接应力：焊前材料加工残留的应力叠加在焊接应力中。

c.组织应力：尤其是热影响区的组织变化引起的组织应力。

Un Re gi st er edtsige（4）铸造残余应力（5）电镀引起的残余应力（6）切削加工残余应力Un Re gi st er ed（1）热处理残余应力组织应力分布冷却初期冷却后期热应力分布表面发生相变心部发生相变Un Re gi st e r ed（1）热处理残余应力热处理淬火残余应力类型K——表层，R——心部Un Re gi st er ed800600800（4）涂镀层引起的残余应力激光强化层的残余应力沿层深的分布(a)σX —层深分布曲线(b)σY —层深分布曲线1-1500W，25mm/s 2-1000W，25mm/sUn Re gi st er ed（4）涂镀层引起的残余应力喷涂工艺方法对NiCrSi 涂层残余应力的影响火焰喷涂涂层内残余应力与其厚度的关系Un Re gi st er ed。