失效分析第一章
失效分析绪论-第1章-删减版
中国失效分析的差距与对策Байду номын сангаас
失效分析的重视与普及程度有待提高； 失效分析人员水平差别较大，需要大力推进人员培训与
技术交流；
失效分析体制有待改进； （政府主导）
失效分析人员的诚信意识和中立意识有待加强。
化工设备失效分析的学习目的 通过本课程的学习，掌握失效分析思路与方
法、手段的运用，熟悉化工装备各类失效的模式、
对零度的超低温下工作的装备和构件。
案例—— 火车车轴疲劳断裂
19世纪中期，铁路运输的出现给工作和生活带来了方便， 但不久后频繁出现车轴的断裂。通过对大量断轴失效分析和试 验研究工作，找到了原因：金属构件在交变应力的作用下，即 使应力远低于金属材料的拉伸强度，经过一定的循环积累，也
会发生断裂，这就是“疲劳”。此后经物理学家、冶金学家、
案例—— 船舶低温脆断
案例—— 船舶低温脆断
• 碳钢和低合金钢有一个脆性转变温度，尽管这些钢 材在常温下有良好的韧性，但在低于室温的某一温度就 会变脆(对缺口极为敏感)。某些常用钢材的低温韧性转 变特性可以很好地解释美国的“自由轮”、钢制桥梁、
压力容器、管道等在低温下工作的脆性失效，促使研制
出在低温下有良好性能的材料。现在已制造出在接近绝
（3）具有较高的经济效益和社会效益
（a）装备及构件失效带来直接及间接的经济损失，进行 失效分析找出失效原因及防止措施，使同样的失效不再发生， 这无疑就减少了损失，带来了经济效益；（尿素合成塔爆炸） （b）提高装备构件质量，使用寿命增加，维修费用降低 及高的产品质量信誉等都带来经济效益； （c）失效分析能分清责任，为仲裁和执法提供依据；失效 分析揭示了规章、制度、法规及标准的不足，为其修改提供 依据。（通过标准规避高压钢管应变时效脆化的发生） （d）科学技术是生产力，失效分析有力地推动科学技术 的发展，在这个方面失效分析给整个社会带来的经济效益和 社会效益是难以估计。
机械零件的失效分析
u : 弹性能
u
1
2
e e
1
2 e
2E
4. 塑性 是指材料断裂前发生塑性变形的能力。常用
断后伸长率和断面收缩率来衡量材料的塑性。
断后伸长率 LL0 100%
L0
断面收缩率 A0 A100%
A0
显然，断后伸长率和断面收缩率越大，材料的 塑性越好。
5. 硬度 表征材料软硬程度的性能，具体来说是指材
其他材料的应力－应变曲线 1–纯金属, 2–脆性材料, 3–高弹性材料
二、静载性能指标
1. 刚度 —零（构）件受力时抵抗弹性变形的能力，它
等于材料弹性模量与零（构）件横截面积的乘积。
单向拉伸(或压缩):
E F A EA F
纯剪切:
G F A G A F
第一章机械零件的失效分析
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
2. 零件失效的原因：为了预防零件失效，必须做到设 计正确，选材恰当和工艺合理。为此，我们不仅要 熟悉零件的工作条件，掌握零件的受力和运动规律， 还要把它们和材料的性能结合起来，即从零件的工 作条件中找出其对材料的性能要求，然后才能做到 正确选择材料和合理制定冷、热加工的技术条件及 工艺路线。 而研究零件各种形式的失效是深刻了解零件工作 条件的基础。
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
3. 常见的失效方式
过量变形 Excessive deformation 断裂 Fracture 疲劳 Fatigue 磨损 Wear 高温蠕变 High temperature creep 腐蚀 Corr形
第1章失效分析基本概念及方法分解
第1章失效分析基本概念及方法分解第一章失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料记载的是在公元前2025年由巴比伦国王汉莫拉比撰写的法典中，而真正把失效分析作为仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段是应用于1862年建立了世界上第一个锅炉监察局。
失效分析走上系统化、综合化、理论化的新阶段是从20世纪中叶，随着微电子技术的异军突起开始的。
1.1失效分析基本概念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他形成的构件（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，则称该零件发生了失效。
失效分析的信息，客观上能够反映机械失效的起始、发展、变化和完成的全过程，以及导致这一失效运动的内、外原因和条件等等，通过与失效事件有关的各种途径传出，经过失效分析人员运用各种必要、可能的调查、检验等科学技术手段（借助科学仪器）等接收，产生回溯反馈，在人类已有失效规律和知识的基础上，就能较完整地在认识或实践上再现失效的全过程。
失效事件中的信息量，是由每个具体的失效过程所决定的，而接收这种失效信息多少，则取决于失效分析人员的专业水平和失效分析的科学技术水平。
零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。
（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。
国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）——产品丧失规定的功能。
对可修复产品，通常也称为故障。
”该定义中涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。
失效分析 第1章
③严重损伤，再不能安全地继续工作，此时应 及时调换或修补。
常见失效形式：有变形、断裂、损伤失效。
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1.1 失效与失效学
产品失效的后果是引发事故，造成直接的经济损失和人 员伤亡，甚至重大的或灾难性的事故。 第二次世界大战期间，美国近5000艘全焊接自由轮， 发生过1000多起脆性破坏事故，其中238艘完全报废， 19艘沉没； 1938年比利时阿尔伯特运河的桥梁，在严寒的冬季 发生突然破坏，断成三段堕入河中； 1943年美国纽约附近发生直径为12m的大型储气罐 的爆炸事故，128人死亡； 1958年美国北极星导弹壳体(材料为超高强度钢 D6AC)在发射试验时发生爆炸； 1959年，美国F-111飞机在俯冲拉起时左翼突然脱 落；不久以后，C-5A机翼又出现裂缝。
12
1.1 失效与失效学
引起失效的因素是复杂的，归纳为两个方面：
材料因素：内因，包括材料品质及加工工艺 方面的各种因素； 环境因素：外因，包括受载条件、时间、温 度及环境介质等因素。
产品的失效都是在材料或零件的强度(韧性)与 应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的。 失效总是从产品对服役条件最不适应的环节开 始的，而且失效产品或零件的残骸上必然会保 留有失效过程的信息。
5
第一章 绪论 失效与失效学
失效分析的意义 失效分析与可靠性的关系 失效分析发展概况
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第一章 绪论 1.1 失效与失效学 失效：产品丧失其规定功能的现象。
机电产品： 功能、寿命、大小、重量、外观、安全性和经 济性等，其中功能是最主要的。
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1.1 失效与失效学
失效大致可分为三种类型：
①完全丧失其规定的功能； ②部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已 不能圆满地完成规定的任务；
第一二章失效分析
输油管道爆炸现场遍布烧焦的尸体 往自己的脸上 泼水冲洗
• 2010年4月20日，位于美国路易斯安那州威尼 斯东南约82公里处海面的一座钻井平台发生 爆炸并引发大火。 • 火势持续大约36小时后，平台沉入墨西哥湾， 其底部油井自4月24日起漏油不止，造成大面 积原油污染。
北海海洋平台 1989年10月 Pasadena，Texas 泄漏，造成爆炸和火灾 石油化工厂乙烯—异丁烷 泄漏 $10亿，整个海洋平台被破坏
23人死亡，132人受伤，损失$70亿
•主要内容
第一章 概述
第二章 失效分析基础知识
第三章 金属构件常见失效形式及其判断
第四章 石油工业中的常见失效形式及原因
• 涉及国防及尖端部门的军工、核工业、宇航等的失效分
析在国家的研究机构(如橡树岭国立研究所、肯尼迪中心
、约翰逊中心、西南研究院等)进行
• 民用工业的失效分析是在大公司的研究机构(如Amoco的
研究中心)进行
• 还有一大批商业性的失效分析公司
• 英国
国立工程研究所(NEL)
国立物理研究所(NPL)
急疏散。这次事故是世界石油天然气开采史上最惨重的
事故，也是人类工业史上最大的悲剧性事件之一
损失惨重的原因
1、由于毒气弥漫，无法进入灾区及时抢救。 2、时间、地形、风向不利。
深夜，山区， 事故井在东南方，东南风，向西北逃，毒气向西北追。 3、事故井硫化氢含量极高。
4、撤离通知传达难度大。 5、群众自救防御能力差。
焊接研究所(WL)
中央电力局(CEGB)
英国石油(BP)
英国煤气天然气公司(BG)
1994年出版“工程失效分析”国际性刊物
机械零件失效分析 ppt课件
一般用于测量经过淬火的钢件等。
PPT课件
锥角为120°的金刚石圆1锥9 体
维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
一般用于测量经表面处理的
锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压头
表面层硬度或薄件的硬度。 PPT课件
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影响金属材料力学性能的主要因素
含碳量：碳，强度和硬度，塑性 合金元素：改善综合性能，得到特殊性能 温度：温度，强度和硬度，塑性 热处理工艺：改变力学性能
第一章 机械零件失效分析
PPT课件
1
概述：
定义: 零件不能正常和安全的工作，即失效。
结构或形状设计不合理。
原因
材料的选择不合理。 加工工艺不合理。
安装与使用不合理。
由于外界载荷、温度、介质等的损害作用超过了材料抵抗损害的能力造成的。
PPT课件
2
失效形式
过量弹性变形 过量变形失效
过量塑性变形
断裂失效
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总结
零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
强 调！ 金属和合金的弹性模量不
1.3过量变形失效
1.3.2过量塑性变形
过量塑性变形—外加应力超过零件材料的屈服极限 时发生明显的塑性变形。
PPT课件
例如：重载且摩擦力很大时，齿面较 软的齿轮表面就会沿摩擦力方向产生 塑性变形。
压入法硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的性能指标。
PPT课件
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布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
布氏硬度计
一般用于测量HB<450较软材P料PT、课件毛坯、 成品的硬度。
淬火钢球
第1章 失效分析基本概念及方法
第一章失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料记载的是在公元前2025年由巴比伦国王汉莫拉比撰写的法典中，而真正把失效分析作为仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段是应用于1862年建立了世界上第一个锅炉监察局。
失效分析走上系统化、综合化、理论化的新阶段是从20世纪中叶，随着微电子技术的异军突起开始的。
1.1失效分析基本概念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他形成的构件（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，则称该零件发生了失效。
失效分析的信息，客观上能够反映机械失效的起始、发展、变化和完成的全过程，以及导致这一失效运动的内、外原因和条件等等，通过与失效事件有关的各种途径传出，经过失效分析人员运用各种必要、可能的调查、检验等科学技术手段（借助科学仪器）等接收，产生回溯反馈，在人类已有失效规律和知识的基础上，就能较完整地在认识或实践上再现失效的全过程。
失效事件中的信息量，是由每个具体的失效过程所决定的，而接收这种失效信息多少，则取决于失效分析人员的专业水平和失效分析的科学技术水平。
零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。
（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。
国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）——产品丧失规定的功能。
对可修复产品，通常也称为故障。
”该定义中涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。
（1）产品按经济学上的定义：企业进行生产活动所创造的、符合于原定生产目的和用途的直接生产成果，物质产品按其完成程度可分为成品、半成品和在制品。
失效分析-1
7、磨损失效
• 相互接触并作相对运动的物体，由于机械作用所造成的材 料位移及分离的破坏形式称为磨损失效。 • 1）粘着磨损 • 当两表面在载荷作用下，其载荷集中在微凸体接触的较 小面积上，其实真实的接触应力极高，因而产生冷焊现象， 局部瞬时粘接在一起。在外应力作用下，粘接点将断裂。 如活塞环与汽缸套、轴瓦与轴颈、蜗轮与蜗杆等。 • 2）磨粒磨损 • 材料与硬颗粒（磨粒）或与耦合件表面作相对运动所造 成的材料位移或分离，称为磨粒磨损。磨粒磨损是磨粒对 材料主要是一种切削作用。对韧性材料与较尖锐颗粒，工 件表面出现沟槽；如颗粒较钝，易产生犁沟现象（如制动 盘磨损）。 • 3）接触疲劳磨损（与前面接触疲劳相同）
失效分析
一失效分析术语
• 1、失效（故障）：产品丧失规定的功能（不可修复）。 • 2、故障：产品丧失部分规定的功能，但是可以修复。 • 3、失效分析：判断失效产品的失效模式，查找产品失效机 理和原因，提出预防再失效的技术活动和管理活动。 • 4、规定功能：是指国家法规、质量标准以及合同等规定的 对产品适用、安全及其特殊的要求。 • 5、失效模式：是指失效的外在宏观表现形式和过程规律。 • 6、失效机理：是指失效件的物理、化学变化的本质及微观 （可以追溯到原子、分子）尺度和结构的变化，以及与此 相对应的一系列宏观的性能、性质变化和联系。
3、塑性断裂 、
当工件所受的实际应力大于材料的屈服强 度时，将产生塑性变形，应力进一步增大就会 产生断裂，称为韧性或塑性断裂。 宏观断口特征：断口附近有明显的宏观变 形，断口表面粗造呈暗灰色，一般可分为三个 特征区－即纤维区、放射区和剪切唇区。
微观断口特征
• 韧窝花样（见图1）、 蛇形滑动、滑移痕迹、 涟波花样、延伸花样。 韧窝越深，平均直径越 大，材料韧性越好。
机械零件的失效分析
强度和塑性指标：屈服强度 和塑性用于一般零件的抗断 裂设计。
硬度：在耐磨零件中必须考虑的 性能指标。如滚珠轴承、活塞环 等.
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
问题
1 断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？ 2 断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断
总结
1 疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一
种脆性断裂，危害很大。
2 无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳 极限、过载持久值（和疲劳缺口敏感度）。
工作应力s<疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。 工作应力s>疲劳极限，构件在一定的周次下断裂， 该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持 久值越低。
疲劳曲线
疲劳极限
条件疲劳 极限
图1－11 两种类型的疲劳曲线
a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）
过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作 用下发生疲劳断裂的循环周次。
N1,N2,N3,N4都是过载持久值
疲劳曲线
高周疲劳：Nf>105 低周疲劳: Nf<105
四、影响疲劳抗力的因素
1 载荷类型 2 材料本质 3 零件表面状态 4 工作温度 5 腐蚀介质
3 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩 展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是 否发生疲劳断裂。
第四节 零件的磨损失效
本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳 磨损的发生过程、机理以及防止措施。
一、磨损的基本概念 1 产生磨损的条件 2 磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸
变化和物质耗损的现象叫做磨损。
（4）防止措施 合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类 材料； 提高表面硬度； 合理设计减小接触压应力； 减小表面粗糙度。
失效分析
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二. 失效分析的意义
另外历史上：
1.促进科学技术发展 例如，19世纪中期，铁路运输的出现给工作和 生活带来了方便，但不久后频繁出现车轴的断裂， 当时都无法解释。通过对大量断轴失效分析和试 验研究工作，找到了原因：金属构件在交变应力 的作用下，即使该应力远远低于金属材料的拉伸 强度，经过一定的循环积累，也会发生断裂，这 就是“疲劳”。此后经物理学家、冶金学家、机 械工程师反复、深入、系统的研究，使疲劳断裂 成为金属材料强度学中的一个重要领域。
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3.失效实例
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的一家化工厂，由于安全 装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出 大量毒气，造成375人死亡，2000人重伤。该 市50万居民中有20万受到毒气的侵害，其中2 万人需要住院治疗。有关方面要求美国公司赔 偿150亿美元的损失费。
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失效分析的分类 失效分析的分类一般按分析的目的不同可分 为: (1) 狭义的失效分析 主要目的在于找出引起 产品失效的直接原因。 (2)广义的失效分析 不仅要找出引起产品失 效的直接原因,而且要找出技术管理方面的薄 弱环节。 (3)新品研制阶段的失效分析 对失效的研制 品进行失效分析。
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二. 失效分析的意义
2. 提高装备及其构件的质量
试验室内再好的模拟试验也不可能做到与装备构 件服役条件完全相同。任何一次失效都可视为在实际 使用条件下对装备构件质量检查所做的科学试验，失 效越是意想不到的，越能给人们意想不到的启示，引 导分析复杂多变的过程及影响因素下装备构件质量的 偏差，找出被忽略的质量问题。由此从设计、材料、 制造等各方面进行改进，便可提高装备及其构件的质 量。
6
失效分析第一章
失效分析孙红亮西南交通大学材料学院８７６３４１７６sunhl@1.1 失效对广大同学而言对广大同学而言，，失效和失效分析也许是一个陌生的概念。
然而在我们的周围然而在我们的周围，，大到各种机械零件大到各种机械零件，，工程设备工程设备，，运输机械输机械，，锅炉锅炉、、压力容器等压力容器等，，小到生活小到生活、、学习学习、、娱乐场所的各类设施各类设施，，我们手头的各种电子器件等等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却总是在发生着。
失效失效——各类机电产品的机械零部件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统称为零件，，以下简称零件以下简称零件））都具有一定的功能都具有一定的功能，，承担各种各样的工作任务样的工作任务，，如承受载荷如承受载荷、、传递能量传递能量、、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当这些零件失去了它应有的功能时，，则称该零件失效则称该零件失效。
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析则可以有效地避免或减少这些损失。
零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况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这是两个不同的概念。
事故是一种结果结果，，其原因可能是失效引起的其原因可能是失效引起的，，也可能不是失效引起的也可能不是失效引起的。
同样同样，，失效可能导致事故的发生事故的发生，，但也不一定就导致事故但也不一定就导致事故。
（1）零件由于断裂零件由于断裂、、腐蚀腐蚀、、磨损磨损、、变形等而完全丧失其功能；（2）零件在外部环境作用下零件在外部环境作用下，，部分的失去其原有功能部分的失去其原有功能，，虽然能够工作能够工作，，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）零件虽然能够工作零件虽然能够工作，，也能完成规定功能也能完成规定功能，，但继续使用时，不能确保安全可靠性。
失效分析第一章ppt课件
失效模式是指构件失效后的外观形式，即可观 察的、可测量的失效的宏观特征。比如，脆性断 裂疲劳开裂、接触磨损等。
根据构件失效的宏观特征，失效模式应有五种：
(1) 变形(deformation )
(2) 断裂(fracture)
(3) 腐蚀 (corrosion)
(4) 磨损(wear)
(5) 衰减(attenuation): 微结构随时间、环境等因 素渐变弱化
20钢
Al2O3
橡胶
MMC
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.3.3失效分析的综合性
产品质量管理一般实行“五要素”法管理： “人、机、料、法、环”
“人、机、料、法、环、测” 但产品的失效分析更复杂，分析人员不仅 需要有材料、工艺、结构、力学、控制、 检验等专业知识，还要懂得安装、维护、 运行、环境等工程知识，同时也要熟悉生 产过程涉及的标准、规范、规程，还包括 心理学等在内的一些管理知识。
1.1.1失效问题每时每刻都在发生，遍及各行 各业
1.1.2失效会造成巨大的经济损失
2006年11月21日发射，2007年11月18日指出，该卫星太阳能帆 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多 板无法打开，一直不能正常工作。直接经济损失20亿RMB，间接 损失1000亿元以上。
应该指出：“失效”和“事故”是两个不同的概 念
第一章 失效及失效分析的概念-
2
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 ； 失效分析与其他学科、技术间的关系。
3
前 言
失效（Failure）与失效分析（ Failure Analgsis）： 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）。
4
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。
5
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。
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§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。
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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。
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。
失效分析知识点
失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。
2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（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。
3. 失效分析定义：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。
也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。
4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。
5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。
（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。
第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。
原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。
（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。
（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。
（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。
失效分析总结
第一章1、零件失效：当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。
2、零件失效的含义：1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。
2）.零件在外部环境下作用下，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，如由于腐蚀导致尺寸超差等。
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。
3、失效分析：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，也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。
4、失效分析可分为事前分析、事中分析、事后分析。
5、失效分析的社会经济效益：（1） 失效将造成巨大的经济损失。
（2） 质量低劣、寿命短导致重大经济损失。
（3） 提高设备运行和使用的安全性。
第二章1. 工程构件的失效分为断裂、磨损、腐蚀三大类。
2. 失效形式分类及原因（表2-1P18）3. 失效来源包括1.设计的问题2.材料选择上的缺点3.加工制造及装配中存在的问题4.不合理的服役条件4. 应力集中：零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中。
表示应力集中大小的系数称为应力集中系数。
5. 缺口敏感性NSR=σNb/σb（σNb表示缺口式样抗拉强度，σb表示光滑试样抗拉强度）比值NSR越大，敏感性越小。
当NSR>1时，说明缺口处发生了塑性变形的扩展，比值越大说明塑性变形扩展越大，脆性倾向越小。
塑性材料的NSR>1，材料反而具有缺口强化效应，缺口敏感性小甚至不敏感。
NSR<1，说面缺口处还未发生明显塑性变形扩展就脆断，表示缺口敏感。
6. 内应力通常分为3类：第一类内应力（宏观应力）是指存在于物体或者在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上；第二类内（微观）应力是指在晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸为10-1~10-2mm；第三类（微观）应力是在原子尺度范围保持平衡的应力，尺寸为10-3~10-6。
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第一章
失效分析概论
1.1 失效的基本状况 1.2 失效分析基本概念 1.3 失效分析基本特点 1.4 失效分析的意义 1.5 失效分析的发展现状
1.1 失效的基本状况
1.1.1失效问题每时每刻都在发生，遍及各行 各业 1.1.2失效会造成巨大的经济损失
2006年11月21日发射，2007年11月18日指出，该卫星太阳能帆 板无法打开，一直不能正常工作。直接经济损失20亿RMB，间接 损失1000亿元以上。
杨振国*认为：失效是指产品因微观结构和 外形形态发生变化而不能满意地达到规定 的功能
因此，如果机械零部件由于种种原因失去 了它应有的功能时，则称为失效。 也可以理解为零件的使用寿命小于其预期 寿命。
*杨振国. 论失效分析的本质及其内在关系. 理化检验-物理分册：2013年
全国失效分析学术会议专辑, 2013, 49 (S2): 1-3.
1.3.5 失效分析的主要步骤 (1)现场检查：运行史、工艺流程、图纸核对等； (2)外观检测：缺陷形态及异物等观察与分析； (3)微观分析：缺陷的微观形貌观察与成分测定； (4)性能检验：力学、物理、化学等性能评定； (5)环境评估：工况介质、异物等测试与评价； (6)模拟试验：失效现象的再现和验证； (7)事故结论：分析结果必须快速、正确； (8)解决对策：治理方案应该简单、有效。
本章小结 1、什么是失效？它与事故、事件、故障有什么 区别？ 2、失效分析的作用和意义是什么？ 3、简述失效分析学科有哪些特点。
1994年7月，中国科协组建了由全国24个一 级学会参加的最高权力机构“全国失效分 析和预防中心”。 2003年4月起，中国机械工程学会失效分析 分会换届，中石油的李鹤林院士任第二届 理事会理事长，任职至今。 中国机械工程学会失效分析分会与中国机 械工程学会理化检验分会经协商，从2005 年起联合举办每二年一届的“全国失效分 析学术会议”，每届以专刊出版会议论文 集。前五届分别是：2005年(广州)、2007 年(长沙)、2009年(上海)、2011年(西安)、 2013 (大连) 。
Titanic的失效模式、机理、缺陷与起因的关系 Titanic是20世纪初世界上最大的豪华游轮。 它长260m、宽28m、高51m、吨位46328t， 可载客3000多人，总耗资7500万英镑。船体 设计采用了双壳层和十六个相互隔离的水密舱 等安全措施，因而当时被认为是一艘“永不沉 没的”巨轮。 1912年4月10日从英国南安普顿出发前往纽约， 航速22节，4月14日晚11:40分在北大西洋与 大冰山相撞，2小时47分后就沉没了。 船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬 生海底，这是迄今为止世界上发生的最大的海 事事故。
1.5.2 英国的失效分析发展概况
英国从事失效分析的、著名的大型研究机构有： 国立工程研究所（NEL）； 国立物理研究所（NPL）； 中央电力局（CEGB）； 英国石油（BP）； 英国煤气天然气公司（BG）； 以及分布在许多高校里的失效分析研究机构。
1.5.3 德国的失效分析发展概况 德国共有500多个研究机构和保险公司，专门 从事失效分析的研究，是世界组织化程度最高 的国家。 德国国家投资建设了一批材料检验中心。 国家技术监督部门（TUV）还强制规定，凡机 器设备发生失效事故，必须申报备案开展失效 原因分析。 自1949年起，德国就出版了与工业腐蚀失效密 切相关的国际权威期刊:《Materials and Corrosion》。同时，还出版了德文版《机械 失效》杂志等。
失效缺陷 是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。比如：裂纹、 腐蚀坑、磨损带、分层等
失效机理 使构件失效所发生的物理、化学的变化过程，即 失效的微观机制。比如：腐蚀模式下的电偶腐蚀、 缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等 失效起因 促使失效机理起作用的主要因素。比如：超载、 疲劳载荷、电极电位差、微动摩擦等
1.1.3失效的定义
《新华词典》定义为：丧失功效或效力 GB3187-82定义为：产品丧失规定的功能 《材料大词典》定义为：材料在经过某些物理、化学过程 后（如载荷作用、材料老化、温度和湿度变化）发生了尺 寸、形状、性能的变化而丧失了规定的功能 《ASM Handbook》定义为：服役的构件出现以下三种 状态之一时即为失效： 1.零件完全丧失其功能 2.部分失去其功能，虽能工作，但不能完成规定动作 3.能够工作，也能完成规定动作，但继续使用时不能保证 安全可靠性
“鑫诺二号”卫 星重约5.1吨，设 计功率1万瓦，设 计寿命15年，运 营寿命12年，定 点于东经92.2度 赤道上空地球同 步轨道上，为中 国大陆、港、澳 、台地区直播电 视、数字电视、 广播和数字宽带 多媒体系统等用 户服务。
深圳“太空迷航”事 件
2010年6月29日下 午4时许，深圳东 部华侨城景区太空 迷航设备发生安全 事故，造成6死10 伤。
失效模式 失效模式是指构件失效后的外观形式，即可观 察的、可测量的失效的宏观特征。比如，脆性断 裂疲劳开裂、接触磨损等。 根据构件失效的宏观特征，失效模式应有五种： (1) 变形(deformation ) (2) 断裂(fracture) (3) 腐蚀 (corrosion) (4) 磨损(wear) (5) 衰减(attenuation): 微结构随时间、环境等因 素渐变弱化
2015年 9月7日上午，陕西旬 阳出租车司机刘师傅开车正 转弯的时候，方向盘突然断 裂，所幸当时车速不快，及 时刹车控制住车辆。
1.3.3失效分析的综合性 产品质量管理一般实行“五要素”法管理： “人、机、料、法、环” “人、机、料、法、环、测” 但产品的失效分析更复杂，分析人员不仅 需要有材料、工艺、结构、力学、控制、 检验等专业知识，还要懂得安装、维护、 运行、环境等工程知识，同时也要熟悉生 产过程涉及的标准、规范、规程，还包括 心理学等在内的一些管理知识。
学时分配
本课程共分为8章，需30学时 绪论、第一章2学时 第二章 4学时 第三章 4学时 第四章 4学时 第五章 4学时 第六章 4学时 第七章 6学时 第八章 2学时
先修课程
《机械设计及理论》 《材料科学基础》 《材料力学性能》 《摩擦与磨损基础知识》 《腐蚀学》 《材料加工方法》
1.6鉴于事故责任认定的重要性、复杂性和特殊性， 一个失效分析工作者应该做到以下七点： (1) 品德高于技术：实事求是，客观公正； (2) 调查重于理论：深入现场，寻找旁证； (3) 宏微观相结合：宏观是表象,微观是本质； (4) 综合知识并重：勤学多问, 理论实践相结合； (5) 团队合作至上：集体力量无限； (6) 系统完整严密：因果一致，推论可信； (7) 快速正确有效：分析快速，结论正确，实施有 效。
1.3失效分析的基本特点
1.3.1失效分析的研究对象是由某种材料经加 工而成的机械零件。 零件的经历：开发规划，设计，选择加工 机械，加工制造，包装，贮存，运输，安 装，试运行，使用，维修等过程。 苛刻条件将加速零件失效过程的进行。
20钢
Al2O3
橡胶
MMC
1.3.2失效分析的复杂性
应该指出：“失效”和“事故”是两个不同的概 念
1.5.4 中国的失效分析发展概况 我国从上世纪70年代起就加强了失效分析的研 究。 1980年8月，中国机械工程学会材料分会成立 暨全国失效分析研讨会在北京举行。 1986年8月，中国机械工程学会失效分析工作 委员会成立，北航的钟群鵬院士任主任委员。 以后曾不定期地组织召开了几次大型战略研讨 会。 1993年，中国机械工程学会失效分析工作委员 会正式更名为中国机械工程学会失效分析分会， 钟群鹏院士担任首届理事长。
1.2失效分析基本概念
1.2.1失效分析概述 失效分析是面向应用、面向工程、面向未 来的学科，特点有二： （1）综合性：涉及许多学科和技术门类，呈 学科交叉性； （2）经济性：与国民经济发展紧密相连，应 用极其广泛。
1.2.2失效分析的内容 失效分析是对失效构件为查明失效起因并采取 预防措施而进行的一切技术活动。它运用各种 分析仪器和方法，对失效件进行综合分析， 查 明失效原因，并采取措施防止同类失效的再发 生，一般应包含五项内容： (1) 判定失效模式 （failure mode） (2) 界定失效缺陷 （failure defect） (3) 鉴定失效机理 （failure mechanism） (4) 确定失效起因 （failure cause） (5) 提出解决对策 （countermeasure） 失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、 失效机理、失效模式与失效起因的相互关系
1.4失效分析的意义
（1）事故责任的法律认定 （2）防止事故的再发生 （3）提高产品的可靠性 （4）促进新材料的研发 因此，失效分析作为一门综合性学科，不仅 对社会稳定和国民经济发展起到保障促进作 用，而且对新材料的研发和新产品的开发更 有工程价值和理论意义。
1.5 失效分析的发展现状
1.5.1 美国的失效分析发展概况 国防、军工、核电、宇航等领域的失效分析，主 要由国家级研究机构承担。比如，橡树岭国立研 究所、NASA 、肯尼迪中心、约翰逊中心、西南 研究院等。 民用工业领域的失效分析，则在各大公司和大 学研究机构内进行，如Amoco研究中心、MIT、 西北大学等。 美国金属学会(ASM) 是最早出版《失效分析手 册》的权威机构，从1923年起就编辑出版《金
学习方法
本课程所涉及的知识面宽，知识点多
注重理论联系实际的学习方法 注重各学科之间相互联系的学习方法 翻阅科技文献Leabharlann 课堂要求
不迟到、不早退, 不旷课 上课时不带手机等通讯工具
上课时不要吃东西
考试成绩
课程成绩 = 平时成绩 + 考试成绩×70% 平时成绩（作业+ 点名+ 实验）共15次， 每次2分，共30分 期末考试，闭卷，100分