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第四章 失效分析的思路和方法
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4.1、失效分析的常规思路
失效分析的常规思路有三种思路： 1）以失效抗力指标为主线的失效分析思路 2）以制造过程为主线的失效分析思路 3）以零件或设备为类别的失效分析思路
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1.以失效抗力为主线的失效分析思路
零件的失效是由于其失效抗力与服役条件这一对矛 盾的因素相互作用的结果，当零件的失效抗力不能胜任服 役条件时，便造成了零件失效。
故障树可以反映出系统中故障的内在联系，使人一 目了然、形象地掌握这种联系并进行正确分析。 所以建树时要注意一下几点：
1）为建好故障树，要选准建树流程，然后根据主 流程确定几个分枝
2）合理处理好系统及部件的边界条件 3）对系统中各事件的逻辑关系和条件必须分析清
楚，不能有逻辑混乱和条件矛盾 4）故障事件定义要准确，不能在“树”中造成逻
8.X射线分析可以确定断口上的腐蚀产物、析出相或表面沉积 物，它一次可获得多种结构和成分
9.力学性能试验：做拉伸，冲击试验是为了测定失效材料的 常规力学性能，检验材料的力学性能参量是否达到设计计 算得要求。对于钢材来说，在不解剖零件的前提下，通过 测量硬度可以获得下列信息：帮助估计热处理工艺是否存 在偏差；估计材料拉伸强度的近似值；检验加工硬化或由 于过热、脱碳或渗碳、渗氮所引起的软化或硬化。
零件的服役条件主要包括载荷和环境两方面的因素 。而零件的失效抗力指标一方面决定于材料因素如成分、 组织和状态等，一方面与零件的几何细节有关。
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思路图
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分析思路要点
1.对具体服役条件下的零件作具体分析，从中找出主要的失 效分析方式及主要失效抗力指标。
2.运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究 成果，深入分析各种失效现象的本质：主要失效抗力指标 与材料成分、组织和状态的关系，提出改进措施。
1.设计、选材和工艺相结合 2.结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合 3.宏观规律与微观机理相结合(断口与组织分析) 4.实验室规律性试验研究与生产考验相结合
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2.以制造过程为主线的失效分析思路
任何零件都要经历设计、选材、热加工(铸锻焊) 、冷加工、热处理、精加工、装配等工序，如果业 己已经确认零件失效纯属于制造过程中的问题，则 可对上述诸工序一一展开分析。找出失效分析的原 因，提出克服失效的措施。
提出防止失效的措施
故障树分析指出的是特定条件下发生失效的主要 原因。例如设计不当或选材不当等。针对失效 原因，采取措施可以防止再发生这类失效。所 采取的措施不一定是针对造成失效的主要原因 ，而是根据实际生产条件采取的最有效并且经 济的方法。
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4.3 失效分析的程序和步骤
失效分析的程序可简化为“问”、“望”、“闻” 、“切”、“模”、“结”六个方面
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故障树分析法(Fault Tree Analysis)
故障树分析法是用数理逻辑符号，把不希望发生的 各种现象，沿其发生的经过而展开成树的形式， 分析事故发生的途径、原因以及发生概率的方法 。实际上是从已发生的失效事故出发逆着失效发 生的过程进行分析，是一个从结果到原因的所谓 逆方向分析。
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3.根据“不同服役条件要求材料强度与塑性、韧性的合理配 合”这一原则，分析研究失效零件现行的选材、用材技术 条件是否合理，是否受旧的传统学术观念的束缚。
4.用局部复合强化，克服零件上的薄弱环节，争取达到材料
的等强度设计。
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克服失效措施的几个结合
在进行失效分析和提出克服失效的措施时，还应做到几个结 合
辑混乱和矛盾。
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对于某个机械零件的失效，一般可以从以下四个方面去考虑 分枝建树过程：
1）结构设计上的问题 2）选材、加工工艺及材质上的问题 3）装配上的问题 4）使用维护中的问题 在建树过程中和初步判断时，应遵循下列步骤： 1）调查收集原始资料 2）残骸分析 3）通过模拟进行误差排除
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3.以零件或设备为类别的失效分析思路
机械产品按其类别可分为基础零件和成套设备。 对于同类零件或设备，尽管其功能各不相同，服役
条件也有很大差别，但在其工作性质上仍有诸多 相同或相通之处，因此其失效形式以及造成失效 的因素也有相同或相通之处。
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4.2 失效分析的系统工程思路与方法
系统工程是一门综合运用多种现代化科学技术的 综合性管理工程。系统工程的思路和方法是按照事物 本身的系统性，把所有要研究的问题都放进系统中加 以考察。对失效分析来说，就是把设备本身的各种破 坏因素与环境因素和人为因素当作一个系统，再运用 系统工程的分析方法来处理，最后得出失效原因。
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失效分析步骤
1）调查研究收集原始背景材料 2）残骸拼凑分析与低倍宏观检查 3）零件失效部位应力分析计算，必要时用实验方法
测定 4）深入实验分析 5）综合分析找出失效的原因，提出防止和改进措施
的建议 6）撰写失效分析报告
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4.4 失效分析的基本实验技术
作为失效分析的手段，需要以下试验技术：宏观和 微观断口分析技术；金相检验技术；无损探伤检 验技术；常规成分、微区成分和表面成分分析技 术；X射线衍射分析技术；实验应力分析技术；力 学性能测试技术；断裂力学测试技术等。
6.电子探针（EP）主要的特点是能测量几立方微米体积内材料的化学成 分，如测量细小的夹杂物或第二相的成分，检测晶界或晶界附近与晶 内相比有无元素富集或贫化。但是不能代替常规的化学分析方法确定 总体含量的平均成分，不能做H、He、Li三元素的分析
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7.俄歇能谱仪（AEM）是进行薄层表面分析的重要工具，用它 来分析Li,Be,B,C,N,O时的灵敏度比电子探针高很多，但不 能测定H和He.
4.扫描电子显微镜（SEM）适合做断口上的定点观察，可以观察深孔底部 的形貌，对观察气孔、疏松、气蚀的底部情况是唯一较好的工具，适 合作拉伸、弯曲、压痕、疲劳、刀具切削等动态形变过程的观察；当 备用高温、低温装置时，可观察金属与合金的相变过程和氧化过程。 扫描的不足之处是不能分辨颜色和不能定结构。
5.透射电子显微镜（TEM）分辨率高，能区别扫描电镜不易区分的形貌细 节，能确定第二相的结构，如果配有能谱，还能测定第二相的成分。
10.断裂力学测试与分析包括材料断裂韧度测试、模拟介质条 件下的应力腐蚀以及模拟疲劳条件下的裂纹扩展参数测试
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各个分析技术的特点
1.宏观分析技术及用肉眼或放大50倍以下的放大镜观察分析是失效分析 的基础，可以确定损坏的起源，根据断口的宏观特征可以对加载方式 、应力大小、材料的相对韧性与脆性等给以说明。
2.借助体视显微镜的分析可以进一步帮助肉眼确认断裂源和裂纹走向， 以及观察磨损或腐蚀的情况。
3.金相显微镜的分辨率低，景深小，不宜于作断口观察，但是可以通过 金相显微镜得到裂纹扩展的方式（穿晶或沿晶）
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4.1、失效分析的常规思路
失效分析的常规思路有三种思路： 1）以失效抗力指标为主线的失效分析思路 2）以制造过程为主线的失效分析思路 3）以零件或设备为类别的失效分析思路
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1.以失效抗力为主线的失效分析思路
零件的失效是由于其失效抗力与服役条件这一对矛 盾的因素相互作用的结果，当零件的失效抗力不能胜任服 役条件时，便造成了零件失效。
故障树可以反映出系统中故障的内在联系，使人一 目了然、形象地掌握这种联系并进行正确分析。 所以建树时要注意一下几点：
1）为建好故障树，要选准建树流程，然后根据主 流程确定几个分枝
2）合理处理好系统及部件的边界条件 3）对系统中各事件的逻辑关系和条件必须分析清
楚，不能有逻辑混乱和条件矛盾 4）故障事件定义要准确，不能在“树”中造成逻
8.X射线分析可以确定断口上的腐蚀产物、析出相或表面沉积 物，它一次可获得多种结构和成分
9.力学性能试验：做拉伸，冲击试验是为了测定失效材料的 常规力学性能，检验材料的力学性能参量是否达到设计计 算得要求。对于钢材来说，在不解剖零件的前提下，通过 测量硬度可以获得下列信息：帮助估计热处理工艺是否存 在偏差；估计材料拉伸强度的近似值；检验加工硬化或由 于过热、脱碳或渗碳、渗氮所引起的软化或硬化。
零件的服役条件主要包括载荷和环境两方面的因素 。而零件的失效抗力指标一方面决定于材料因素如成分、 组织和状态等，一方面与零件的几何细节有关。
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思路图
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分析思路要点
1.对具体服役条件下的零件作具体分析，从中找出主要的失 效分析方式及主要失效抗力指标。
2.运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究 成果，深入分析各种失效现象的本质：主要失效抗力指标 与材料成分、组织和状态的关系，提出改进措施。
1.设计、选材和工艺相结合 2.结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合 3.宏观规律与微观机理相结合(断口与组织分析) 4.实验室规律性试验研究与生产考验相结合
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2.以制造过程为主线的失效分析思路
任何零件都要经历设计、选材、热加工(铸锻焊) 、冷加工、热处理、精加工、装配等工序，如果业 己已经确认零件失效纯属于制造过程中的问题，则 可对上述诸工序一一展开分析。找出失效分析的原 因，提出克服失效的措施。
提出防止失效的措施
故障树分析指出的是特定条件下发生失效的主要 原因。例如设计不当或选材不当等。针对失效 原因，采取措施可以防止再发生这类失效。所 采取的措施不一定是针对造成失效的主要原因 ，而是根据实际生产条件采取的最有效并且经 济的方法。
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4.3 失效分析的程序和步骤
失效分析的程序可简化为“问”、“望”、“闻” 、“切”、“模”、“结”六个方面
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故障树分析法(Fault Tree Analysis)
故障树分析法是用数理逻辑符号，把不希望发生的 各种现象，沿其发生的经过而展开成树的形式， 分析事故发生的途径、原因以及发生概率的方法 。实际上是从已发生的失效事故出发逆着失效发 生的过程进行分析，是一个从结果到原因的所谓 逆方向分析。
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3.根据“不同服役条件要求材料强度与塑性、韧性的合理配 合”这一原则，分析研究失效零件现行的选材、用材技术 条件是否合理，是否受旧的传统学术观念的束缚。
4.用局部复合强化，克服零件上的薄弱环节，争取达到材料
的等强度设计。
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克服失效措施的几个结合
在进行失效分析和提出克服失效的措施时，还应做到几个结 合
辑混乱和矛盾。
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对于某个机械零件的失效，一般可以从以下四个方面去考虑 分枝建树过程：
1）结构设计上的问题 2）选材、加工工艺及材质上的问题 3）装配上的问题 4）使用维护中的问题 在建树过程中和初步判断时，应遵循下列步骤： 1）调查收集原始资料 2）残骸分析 3）通过模拟进行误差排除
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3.以零件或设备为类别的失效分析思路
机械产品按其类别可分为基础零件和成套设备。 对于同类零件或设备，尽管其功能各不相同，服役
条件也有很大差别，但在其工作性质上仍有诸多 相同或相通之处，因此其失效形式以及造成失效 的因素也有相同或相通之处。
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4.2 失效分析的系统工程思路与方法
系统工程是一门综合运用多种现代化科学技术的 综合性管理工程。系统工程的思路和方法是按照事物 本身的系统性，把所有要研究的问题都放进系统中加 以考察。对失效分析来说，就是把设备本身的各种破 坏因素与环境因素和人为因素当作一个系统，再运用 系统工程的分析方法来处理，最后得出失效原因。
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失效分析步骤
1）调查研究收集原始背景材料 2）残骸拼凑分析与低倍宏观检查 3）零件失效部位应力分析计算，必要时用实验方法
测定 4）深入实验分析 5）综合分析找出失效的原因，提出防止和改进措施
的建议 6）撰写失效分析报告
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4.4 失效分析的基本实验技术
作为失效分析的手段，需要以下试验技术：宏观和 微观断口分析技术；金相检验技术；无损探伤检 验技术；常规成分、微区成分和表面成分分析技 术；X射线衍射分析技术；实验应力分析技术；力 学性能测试技术；断裂力学测试技术等。
6.电子探针（EP）主要的特点是能测量几立方微米体积内材料的化学成 分，如测量细小的夹杂物或第二相的成分，检测晶界或晶界附近与晶 内相比有无元素富集或贫化。但是不能代替常规的化学分析方法确定 总体含量的平均成分，不能做H、He、Li三元素的分析
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7.俄歇能谱仪（AEM）是进行薄层表面分析的重要工具，用它 来分析Li,Be,B,C,N,O时的灵敏度比电子探针高很多，但不 能测定H和He.
4.扫描电子显微镜（SEM）适合做断口上的定点观察，可以观察深孔底部 的形貌，对观察气孔、疏松、气蚀的底部情况是唯一较好的工具，适 合作拉伸、弯曲、压痕、疲劳、刀具切削等动态形变过程的观察；当 备用高温、低温装置时，可观察金属与合金的相变过程和氧化过程。 扫描的不足之处是不能分辨颜色和不能定结构。
5.透射电子显微镜（TEM）分辨率高，能区别扫描电镜不易区分的形貌细 节，能确定第二相的结构，如果配有能谱，还能测定第二相的成分。
10.断裂力学测试与分析包括材料断裂韧度测试、模拟介质条 件下的应力腐蚀以及模拟疲劳条件下的裂纹扩展参数测试
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各个分析技术的特点
1.宏观分析技术及用肉眼或放大50倍以下的放大镜观察分析是失效分析 的基础，可以确定损坏的起源，根据断口的宏观特征可以对加载方式 、应力大小、材料的相对韧性与脆性等给以说明。
2.借助体视显微镜的分析可以进一步帮助肉眼确认断裂源和裂纹走向， 以及观察磨损或腐蚀的情况。
3.金相显微镜的分辨率低，景深小，不宜于作断口观察，但是可以通过 金相显微镜得到裂纹扩展的方式（穿晶或沿晶）