第3章失效分析基本方法

(4)预防措施。防止准脆性解理断裂的主要措施是减小构件中的裂纹尺
寸。
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3.3.3 断口的微观分析
5．微孔型断裂 (1)微孔型断裂的微观形貌。微孔型断裂的微观电子形貌呈孔坑、塑坑、 韧窝、叠波花样。 (2)微孔型断裂性质的判别。微孔断裂可以是沿晶型的，但多为穿晶型 的断裂。微孔型断裂是一种延性断裂。 (3)宏观脆性微孔型断裂的特点。宏观脆性微孔型断裂的微观电子形貌为
知识点8 断口的宏观分析。 断口的宏观分析是指用肉眼或放大倍数一般不超过30倍的放大镜
及实物显微镜，对断口表面进行直接观察和分析的方法。断口的
宏观分析法是一种对断裂件进行直观分析的简便方法。 断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂 过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应 力(正应力及切应力)间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定 断裂的宏观表现及其性质，即是宏观脆断还是韧断，并可确定断 裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。
第 3章
失效分析基本方法
主讲教师：伍颖
引言
在前面的章节已经学习了失效分析的基础知识，对失效分析已经 有了一个初步地了解；失效分析是一个非常有用的科学方法，为实际 工程问题提供了技术保障和方法指导。在本章，需要对以下问题进行 深入学习。
1、失效分析的思路与方法； 2、失效分析的程序与步骤； 3、断口分析方法。
进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等 与致断因素的内在联系。
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3.3.1 断口分析方法及断口分析的任务
知识点7 断口分析的任务。 断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断
口形貌；微观分析，既包括微观形貌分析，又包括断口产物分析(如产
细小、均匀分布的等轴型微孔，微孔的形成和连接时的塑性变形量很小。
(4)宏观脆性微孔型断裂的预防措施。为预防高强度材料裂缝件发生微 孔型断裂，主要从材料学的角度出发，通过提高材料断裂韧度加以解决。
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3.3.3 断口的微观分析
6．沿晶断裂 (1)沿晶断裂的微观形貌特征。按断口的微观形貌特征，沿晶断裂
命周期的所有要素，包括质量、费用、进度和用户要求。其特点是：
①在前一阶段工作中考虑后续阶段及总体结果； ②后续阶段中的双向信息流，亦即在两个阶段或两个子工程人员之
间有信息交流；
③不同阶段或不同子工程之间随时解决矛盾和不协调问题。
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3.2 失效分析的程序及步骤
3.2.1 分析程序的意义
(3)事件吋序树分析法(简称ETA法)。 (4)故障率预测法。 (5)失效模式及后果分析法(简称FMEA法)。 (6)模糊数学分析法。
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3.1.3 系统工程的分析思路及方法
知识点4 事故树分析发的工作程序。
1)确定不希望发生的事件(上端事件)； 2)对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进行分析； 3)采用手工或计算机合成故障树； 4)求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目基本事件集合； 5)收集计算时必需的故障率数据；6)计算上端事件发生的概率； 7)对基本事件的重要度作评价； 8)分析计算结果，提出改进措施。
又可分为两大类：一是沿晶的正向断裂；另一类是沿晶的延性断
裂。 (2)沿晶断裂的判定。断口表面呈冰糖块状或岩石状的多面体外形， 有较强的立体感。 (3)沿晶断裂的致断原因。氢致损伤、应力腐蚀、蠕变、回火脆性、
第二相析出脆性及热脆性、热疲劳等断裂均可能是沿晶型的断裂。
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3.3.3 断口的微观分析
运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的
原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之 间的定量关系。
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3.1.3 系统工程的分析思路及方法
失效系统工程分析法的类型
失效系统工程分析法主要有以下几种类型：
(1)故障树分析法(简称FTA法)。
(2)特征一因素图分析法。
物的化学成分、相结构及其分布等)。 断口分析的具体任务主要包括以下几个方面： (1)确定断裂的宏观性质； (3)查找裂纹源区的位置及数量； (2)确定断口的宏观形貌； (4)确定断口的形成过程；
(5)确定断裂的微观机制；
(6)确定断口表面产物的性质。
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3.3.2 断口的宏观分析
分析中。常用的有以下几种具体的分析方法。
1、按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法 为了分析断裂原因通常依次进行如下的分析工作。 (1)审查设计； (2)材料分析；
(3)加工制造缺陷分析；(4)使用及维护情况分析。
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3.1.2 相关性分析的思路及方法
2．根据产品失效形式及失效模式分析的思路及方法 根据零件失效的表现形式进一步分析失效模式，然后分析导致这种失
(1)概述；
(2)失效事件的调查结果；
(3)分析结果；
(4)问题讨论； (5)结论与建议。
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3.3 断口分析
断裂是机械产品工程事故中较为多见而且危害最大的失效形式。断 裂件的断口分析是断裂失效分析的主要内容。 断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电
子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱仪等仪器设备，对断口表面
1、整体观念原则；2、从现象到本质的原则；3、动态原则； 4、一分为二原则(两分法原则)；5、纵横交汇原则(立体性原则) 除上述基本原则外，在分析方法上还应当注意以下几点： a、尽可能采用比较方法；b、历史方法；c、逻辑方法。
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3.1.2 相关性分析的思路及方法
知识点2 相关性分析的思路及方法。 所谓相关性分析思路，是从失效现象寻找失效原因或“顺藤摸瓜” 的分析思路。一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效
断口作微观分析的内容主要包括断口的产物分析及形貌分析两个 方面。 (1)断口的产物分析。断口产物的分析又可分为成分分析和相结构 分析两个方面。
(2)断口的微观形貌分析。目前用于断口微观形貌分析的工具，主
要是电子显微镜，即透射电镜及扫描电镜。
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3.3.3 断口的微观分析
2．解理断裂 (1)解理断裂的特点。其断裂的特点是，解理初裂纹起源于晶界、亚晶 界或相界面，并严格沿着金属的结晶学平面扩展。 (2)解理断裂的微观形貌特征及断裂性质。解理断裂的微观形貌特征主 要是河流花样及解理台阶，确定解理断裂的性质。 (3)致断原因分析。导致金属零件发生脆性的解理断裂有材料性质、应
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主要内容
3.1 失效分析的思路与方法 3.2 失效分析的程序与步骤 3.3 断口分析
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3.1 失效分析的思路及方法
3.1.1 失效分析的思想方法
知识点1 失效分析的基本原则。 失效分析的理论、技术和方法的核心是其思维学、推理法则和方法论。
在实际工作中，应遵守并能正确运用以下基本原则。
失效分析是一项复杂的技术工作，它不仅要求失效分析工作人员具
备多方面的专业知识，而且要求多方面的工程技术人员、操作者及
有关科学工作者的相互配合，才能圆满地解决问题。 一般说来，在明确了失效分析的总体要求和目标之后，失效分析程 序大体上包括：调查失效事件的现场；收集背景材料，深入研究分 析，综合归纳所有信息并提出初步结论；重现性试验或证明试验， 确定失效原因并提出建议措施；最后写出分析报告等内容。
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3.2.2 失效分析的步骤
知识点5 失效分析的步骤。
1、现场调查； 3、技术参量复验； 2、收集背景材料； 4、深入分析研究；
5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论； 6、重现性试验或证明试验；
7、撰写失效分析报告。
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3.2.2 失效分析的步骤
知识点6 机械产品的失效分析报告的内容。 机械产品的失效分析报告通常应包括如下内容：
效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。
3．“四M”分析思路及方法 所谓“四M”分析法，是指将Man(人)、Machine(机器设备)和Media(环 境介质)和Management(管理)作为一个统一的系统进行分析的方法。依 此分别进行如下四方面的分析工作。
(1)操作人员情况的分析；(2)环境情况的分析；
(4)沿晶断裂失效的预防措施。预防沿晶断裂失效的措施通常有以下 几点： 1)提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶界分布。 2)严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化。 3)减少晶界与环境因素间的交互作用。 4)降低金属表面的残余拉应力，以及防止局部三向拉应力状态的产生。
7．疲劳断裂
力状态及环境因素等众多原因。
(4)防止构件发生解理断裂的措施。总之，防止解理断裂的基本出发点 是降低构件的脆性转折温度，使构件在脆性转折温度以上的条件下工作。
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3.3.3 断口的微观分析
3．准解理断裂
(1)准解理型断裂的微观形貌特征。准解理断裂的断口是有平坦的
“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。 (2)准解理断裂性质的判别。在失效分析时，可以根据断口的微观电 子图像的特征来判定是否准解理断裂。 (3)致断原因分析。 (4)防止构件发生准解理断裂的措施。为了防止此类断裂，最有效 的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力。
疲劳断裂断口微观形态请参见第5章“疲劳断裂失效分析”。
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3.3.3 断口的微观分析
4．准脆性解理断裂 (1)准脆性解理断裂的特点。光滑试件的解理断裂，其宏观表现上一般
是脆性的。
(2)准脆性解理断裂性质的判别。在构件中部的平面应变区为解理型断 裂，在构件的周边平面应力区为微孔型断裂。 (3)致断原因分析。对于准脆性解理断裂产生的原因，可以从断裂力学 的角度予以解释。
(3)设备情况的分析； (4)管理情况的分析。
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百度文库
3.1.3 系统工程的分析思路及方法
知识点3 系统工程的分析思路及方法。
系统工程(System Engineering)是一门综合技术，它综合运用多 种现代科学技术，并与各领域的具体问题相结合，从而应用于各 个领域。 失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，
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3.3.2 断口的宏观分析
断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。
1．最初断裂件的宏观判断；
2．主断面(主裂纹)的宏观判断；
3．断裂(裂纹)源区的宏观判断；
4．宏观断口的表象观察与致断原因初判。
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3.3.3 断口的微观分析
知识点9 断口的微观分析。
1．断口微观分析的内容和方法
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3.1.4 数理统计分析思路及方法
并行工程(Concurrent Engineering，CE)是美国在20世纪80年代末
提出、在20世纪90年代重点发展的武器研制工程技术，是一种用来
综合、协调产品的设计及其相关过程包括制造和保障工程的系统方 法，它要求研制人员从一开始就考虑从方案设计直到废弃的产品寿