失效分析基础知识
失效分析基本常识及操作计划流程培训
失效分析基本常识及操作计划流程培训失效分析是一种通过系统性的方法，对发生故障或失败的设备、系统或过程进行深入分析与研究，确定故障原因，找出解决故障的方法和措施的过程。
它被广泛应用于产品质量控制、设备维护、安全管理等领域。
本文将介绍失效分析的基本常识以及操作计划流程，并对其进行详细阐述。
失效分析的基本常识1.失效模式与失效机理：失效模式指的是设备或系统失效或故障的现象或特征，而失效机理则是指导致设备或系统失效的根本原因。
了解设备或系统的失效模式和失效机理，有助于找出解决故障的方法和措施。
2.失效分析方法：失效分析可以使用多种方法进行，包括但不限于根本原因分析法、故障树分析法、故障模式与效应分析法等。
不同的方法适用于不同类型的失效，可以根据实际情况选择合适的方法。
3.数据收集和分析：进行失效分析前，需要收集相关的数据和信息，包括设备的使用情况、维护记录、故障报告等。
通过对这些数据进行分析，可以帮助确定故障发生的时间、地点和原因等。
4.处理措施：失效分析的最终目的是找出解决故障的方法和措施。
根据对故障的分析和判断，可以制定相应的处理措施，包括修复设备、更换部件、改进工艺流程等。
操作计划流程1.确定失效分析的目标和范围：首先确定失效分析的目标和范围，明确需要分析的设备、系统或过程，以及分析的目的和要求。
2.收集故障数据和信息：收集与故障相关的数据和信息，包括设备的使用情况、维护记录、故障报告等。
通过对这些数据进行分析，可以帮助确定故障发生的时间、地点和原因等。
4.分析故障机理和模式：根据调查和观察的结果，对故障机理和模式进行分析，找出导致设备或系统失效的根本原因。
5.制定处理措施：根据对故障的分析和判断，制定相应的处理措施，包括修复设备、更换部件、改进工艺流程等。
同时，给出预防措施，以避免类似故障再次发生。
6.实施处理措施：根据制定的处理措施，组织实施修复、更换等工作。
同时，对工作结果进行检查和验证，确保故障得到彻底解决。
零件失效分析失效分析基础知识
表3 在一般工业工程中调查的失效原因的比例
起
因
材料选择不恰当 装配错误 错误的热处理 机械设计错误 未预见的操作条件 环境控制不够充分 不恰当的或缺少监测与质量控制 材料混杂
（%）
38 15 15 11 8 6 5
2
表4 航空零件失效原因的比例
起
因
保养不恰当 安装错误 设计缺陷 不正确的维修损坏 材料缺陷 未定原因
❖ 氢腐蚀(高温氢侵蚀)引起的蒸汽管道爆管事故
氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备中较常见的 失效模式。 这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性能严重退化， 事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、加氢裂化等装置中，温 度超过260℃，氢的分压大于689kPa，就有可能发生氢分子在钢 的表面分解为原子氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料， 并与碳化物反应生成甲烷(Fe3C+4H→3Fe+CH4)，由于甲烷的分 子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界面等处聚集产生局 部高压，形成微裂纹，进而材料脆化。
❖ 催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效
➢ 裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑 性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；
➢ 裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征； ➢ 腐蚀产物的水溶液PH值在5～6，呈现酸性； ➢ 断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中的氮含量； ➢ 结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。
上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期失效，综合 分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局部脱碳。
应力状态：弯曲疲劳
缺陷：
➢ 降低应力集中的措施
强化材料，降低应力集中的作用
整体强化 局部强化
17压力容器失效分析基础知识
——失效分析的常用手段
•残余应力测试、振动测试
——失效分析的常用手段
•无损检测 •工艺检查 •运行检查 •模拟腐蚀试验
五、失效分析的基本方法
•相关性思路法—较简便、较普及 •事故树法—逻辑性较强 •排除法—不能直接给出结论，不推荐 •模拟试验法—缺少数据时，可以还原现场
基本方法也可分为比对法和排除法
所有的工程材料都是活性化学品，就像食盐溶解在水中一样， 任何工程材料都能快速并完全溶解在某种环境中，根据这种 本征活性的观点，令人惊奇的并不是材料的失效，而是它们 在环境中可以正常使用。
1.1九江石化合成氨装置气化炉出口管道爆炸
化学爆炸
大变形
形失效
5.4模拟试验法
2.电偶腐蚀模拟试验
试验溶液：7%盐酸溶液
溶液温度：7%盐酸沸点 试样位置：液面以下，与液面成60~70度角，钽板在上方，锆板在下方， 焊缝与液面平行。 加速方式：通过溶液沸腾出现的气泡来冲击试样。 试验时间：连续运行200~300小时
试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过50mmX100mm
•金相试验、扫描电子显微镜试验
洗照片
——失效分析的常用手段
•硬度检测、力学性能试验（拉伸、冲击、弯曲、扭转、断裂韧
度、高温性能、腐蚀后的性能）
——失效分析的常用手段
•化学成份分析、光谱分析（定量和半定量）、能谱分析、X射线
衍射分析 •液体成分分析
——失效分析的常用手段
•有限元计算模拟
强度（韧性和脆性）、刚度、稳定性、振动 基于GB150强度校核、基于GB4732分析设计强度校核、极限载荷 分析、脆断“极限”载荷分析
5.4模拟试验法
CSEI
谢
谢！
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失效分析的基础知识
中国地质大学远程教学
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2.5.2 单向拉（压）应力
知识点14 许用应力的定义。 所谓许用应力就是允许达到的应力。对机械零件最基本的要求就是具备
足够的强度，为了保证零件在外力作用下，能够安全可靠地工作，应使
它的工作应力低于材料的承受能力，使构件的强度留有必要的储备，因 此，常把材料的强度指标除以大于1的系数 ，作为设计时应力的最高限
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2.2 应力集中与零件失效
2.2.1 应力集中与应力集中系数
知识点4 应力集中与应力集中系数的定义。 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，表示应力集中程度大小 的系数称为应力集中系数。 应力集中的程度首先是与缺口的形状有关。一般来说，圆孔孔 边的应力集中程度最低。 影响应力集中系数的因素还很多，如零件结构，缺口位置、大 小，材料种类，载荷性质等，具体情况应具体分析。
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2.2.3 降低应力集中的措施
知识点6 降低应力集中的措施。 1.从强化材料方面降低应力集中的作用 采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度，从而减少应力 集中的危害。 2．从设计方面降低应力集中系数
（1）变截面部位的过渡。
（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。
韧性的定义：所谓韧性是材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，
是强度和塑性的综合表现。
为了在设计计算中能直接应用材料的韧性指标，提出了应力场强度因子 的概念，并建立了如下关系
K1 Y
式中 Y——裂纹体的几何因子函数。该函数是一个和裂纹形状、加载
Y ；
方式以及试样几何因素有关的量，是一个无量纲的系数。有中心穿透裂
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。
失效分析基础知识
失效分析基础知识失效分析（Failure Analysis）是指通过对被测设备或系统内部的失效原因进行分析和研究，找出导致失效的根本原因，并提出相应的改进措施，以避免或减少同类失效事件的再次发生。
失效分析是现代工程领域中非常重要的一项技术，能够提高产品质量和可靠性，减少故障率，降低生产成本，延长设备的使用寿命。
失效可以分为两大类，一类是功能失效，指的是设备或系统无法按照设计要求完成其功能；另一类是物理失效，指的是设备或系统的一些或多个组成部分发生破坏、损坏或失效。
失效分析主要针对物理失效进行研究，通过对失效物理机制和失效模式进行分析，找出可能导致失效的根本原因，然后推导出失效的关键因素，并提出相应的改进方案。
失效分析的基本原则包括以下几点：1.收集失效信息：通过调查、询问用户、现场观察等方式，收集尽可能多的失效信息，包括失效模式、失效时间、失效环境等。
2.分析失效机理：通过对失效物理机制的研究，找出导致失效的根本原因。
失效机理可以通过物理实验、数值模拟等方式进行研究。
3.分析失效模式：失效模式是指设备或系统在失效前的状态和失效后的状态之间的差异。
通过对失效模式进行分析，可以找出导致失效的关键因素。
4.分析失效的关键因素：通过对失效模式和失效机理的分析，推导出导致失效的关键因素。
关键因素可以是设计缺陷、制造缺陷、材料问题、操作错误等。
5.提出改进措施：根据分析结果，提出相应的改进措施，包括设计改进、制造改进、材料改进、操作改进等。
改进措施应该能够消除或减少导致失效的关键因素，从而提高设备或系统的可靠性和安全性。
失效分析常用的方法和技术包括材料分析、断口分析、显微分析、化学分析、热分析、电子显微镜观察等。
这些方法和技术可以帮助工程师深入了解失效的原因和机制，从而提出有效的改进措施。
失效分析在工程领域中具有广泛的应用，包括电子设备、机械设备、化工设备、航空航天设备等各个领域。
通过对失效进行分析和研究，可以提高产品的可靠性和质量，减少故障率，降低生产成本，延长设备的使用寿命。
失效分析基本常识以及操作流程
失效分析基本常识以及操作流程失效分析是一种通过分析和探究事物、系统或过程发生失效的原因和机制的方法。
它可以帮助我们识别并改进潜在的问题，以提高系统的可靠性和性能。
以下是关于失效分析的基本常识与操作流程。
一、失效分析的基本常识1.失效模式与效应分析（FMEA）：FMEA是一种通过分析预测和评估失效模式及其严重性、发生概率和检测能力的方法。
它可以在设计、生产和使用阶段预防或减少失效。
2.失效树分析（FTA）：FTA是一种通过将失效进行因果关系的图形化表示来分析系统失效的方法。
它能够帮助确定导致一些具体失效的事件链。
3.事故树分析（ETA）：ETA是一种通过将事故及其后果进行因果关系的图形化表示来分析事故发生的方法。
它可以帮助识别和评估事故的潜在原因及其对系统的影响。
4.失效模式、原因和影响分析（FMEDA）：FMEDA是一种通过分析失效模式、失效原因和失效影响的方法来评估系统的可靠性。
它通常用于评估硬件系统。
5.人因分析：人因分析是一种通过分析人因相关的错误、失误和措施来评估和改进工作系统和流程的方法。
它可以帮助减少人为失误和提高操作效率。
二、失效分析的操作流程1.确定分析目标：确定需要进行失效分析的系统、产品或过程，并明确分析的目标和范围。
例如，是为了解决一个特定的问题，还是为了提高整体系统的可靠性等。
2.收集相关数据：收集和整理与失效有关的数据和信息，包括过去的失效记录、测量数据、使用情况等。
这些数据将为后续的分析提供基础。
3.选择适当的工具和方法：根据分析的目标和需要，选择适合的失效分析方法和工具，如FMEA、FTA、ETA等。
有时需要结合多种方法进行分析。
4.定义失效模式与效应：识别和描述可能的失效模式及其对系统的影响。
这包括对失效模式的描述和分类，以及对失效的严重性进行评估。
5.分析失效原因：通过追溯失效模式，分析导致失效发生的可能原因和机制。
这包括对失效原因的分类和评估，以及确定潜在缺陷和改进点。
失效分析基本常识以及操作流程
提交分析报告
任务来源 分析过程
背景描述
分析结果
记录和图片 综合评审
分析实质原因 提出纠正措施
工艺
设计结构 材料
测试方法 使用条件 质量控制
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6.0 操作流程-1
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6.0 操作流程-2
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6.0 操作流程-3
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6.0 操作流程-4
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9.0 FA工程师因该具备的能力
1. 要懂基础的物理科学，对物理对电路都要有 一定的基础，否则无法解释一些本质现象， 思路也不宽。
2. 要熟悉产品封装工艺，这个是失效分析的基 础，不然没法给结论。
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9.0 FA工程师因该具备的能力
3. 要懂电路和机械装配图。 4. 熟悉材料科学，会分析各种材料的相关问题。 5. 要对业界的所有失效分析设备，材料分析设
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2.0 研究对象和要求
2.1 需要做失效分析的对象
现场使用的失效样品（客诉样品） 可靠性试验失效样品 生产筛选失效样品（特大异常样品）
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2.0 研究对象和要求
2.2 失效分析层次要求
任一产品或系统的构成都是有层次的，失效原因也 具有层次性，如系统－单机－部件（组件）－零件（元 件）－材料。
上一层次的失效原因即是下一层次的失效现象。 凭我们现有资源和技术能力，结合产品特性，失效 分析适宜以器件为单元建立失效模式。分析机理达到零 件（如芯片\壳体\滤波片\插芯套组件等）层次即可。
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失效分析基础知识.doc
失效分析基础知识失效分析基础知识钟群鹏(北京航空航天大学，北京100083)1基本概念1.1失效和失效分析产品丧失规定的功能称为失效。
判断失效的模式，杏找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。
1.2失效和事故失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态。
失效和事故常常有一定的因果关系，但两者没有必然的联系。
1.3失效和可靠失效是可靠的反义词。
机电产品的可靠度R(t)是指时间t内还能满足规定功能产品的比率，即n(t)/n(0),n(t)为时间t内满足规定功能产品的数量,n(0)为产品试验总数量。
累积失效概率F(t)就是时间t 内的不可靠度,即F(t)=I-R(t)=[n(0)-n(t)]/n(0)o1.4失效件和废品失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件，而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。
废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。
1.5失效学研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。
失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。
2失效的分类2.1按功能分类由失效的定义可知，失效的判据是看规定的功能是否丧失。
因此，失效的分类可以按功能进行分类。
例如，按不同材料的规定功能可以用各种材料缺陷(包括成分、性能、组织、表面完整性、品种、规格等方面)来划分材料失效的类型。
对机械产品可按照其相应规定功能来分类。
2.2按材料损伤机理分类根据机械失效过程中材料发生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特征差异，可以分类如图1所示。
图1失效的分类2.3按机械失效的时间特征分类(1)早期失效可分为偶然早期失效和耗损期失效。
(2)突发失效可分为渐进(渐变)失效和间歇失效。
2.4按机械失效的后果分类(1)部分失效(2)完全失效(3)轻度失效(4)危险性(严重)失效(5)灾难性(致命)失效3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。
失效分析基本常识以及操作流程概要
失效分析基本常识以及操作流程概要失效分析是一种通过对可能导致系统、设备或产品失效的原因进行分析，找出失效根本原因并采取措施来防止或解决失效问题的方法。
它是广泛应用于各个行业的一种科学技术手段，可以提高产品和系统的可靠性、安全性和稳定性。
失效分析的基本常识包括以下几个方面：1.失效模式与失效机理：失效模式是指系统、设备或产品发生失效的表现形式，如断裂、腐蚀或短路等。
失效机理是导致失效发生的物理或化学过程，如疲劳、腐蚀或热膨胀等。
2.失效根本原因：失效根本原因是导致失效机理发生的根本问题，可以是设计缺陷、材料问题、工艺不良或使用误操作等。
3.失效分析方法：失效分析可以采用多种方法，如故障树分析、事件树分析、失效模式与效应分析（FMEA）和故障模式与效应分析（FMECA）等。
这些方法可以帮助确定失效发生的可能原因、失效的后果以及防止或解决失效的措施。
4.失效分析工具：失效分析可以借助一些工具来进行，如故障记录、故障数据分析、实验测试和仿真模拟等。
这些工具可以提供有关失效发生的详细信息，以便进行有效的分析和解决。
失效分析的操作流程概要如下：1.收集失效信息：首先需要收集与失效相关的信息，包括失效模式、失效机理、失效数据和相关报告等。
2.确定失效根本原因：通过对失效信息进行分析，确定失效的根本原因。
可以采用故障树分析等方法来帮助确定可能的失效原因。
3.评估失效后果：评估失效的后果，包括人员伤害、财产损失和环境影响等。
可以采用FMEA和FMECA等方法来评估失效的后果。
4.制定措施：根据失效的根本原因和后果，制定相应的措施来防止或解决失效问题。
这些措施可以包括改进设计、优化工艺、更换材料或提供培训等。
5.实施措施：根据制定的措施，进行实施。
这可能涉及到产品的改进、工艺的优化或操作人员的培训等。
6.监控效果：监控实施措施的效果，以确保达到预期的目标。
如果发现新的失效问题，需要重新进行失效分析并制定相应的措施。
失效分析基础课件
根据深入分析的结果， 提出针对性的改进措施 和建议，包括设计优化、 制造工艺改进、使用条 件调整等。
02
失效模式与影响分析
失效模式识别与分类
01
02
常见失效模式
失效分类
03 失效模式识别方法
失效影响评估
失效影响分析
失效后果评估
失效影响评估方法
失效模式与影响分析的实践方法
收集数据
分析失效原因
制定分析计划
对失效产品或系统进行 现场调查和检查，了解 失效的具体情况，包括 失效部位、失效形式、 失效时间等。
根据现场调查和检查的 结果，初步分析失效原 因，包括设计、制造、 使用等方面的原因。
对初步分析结果进行深 入分析，采用各种测试 手段和方法，如金相分 析、力学性能测试、化 学分析等，进一步确定 失效原因。
建立分析模型
提出改进措施
03
失效原因分析与预防措施
失效原因分析方法
故障树分析法 失效模式与影响分析法 原因分析法
常见失效原因及其应对措施
机械疲劳
磨损
腐蚀
老化
预防措施制定与实施
制定预防措施
实施预防措施 监控与评估
04
失效分析技术在产品质量改进中的应用
产品质量ห้องสมุดไป่ตู้进的重要性
提高产品竞争力
优质的产品能够满足客户需求， 提高市场占有率，为企业带来更
05
失效分析技术的发展趋势与挑战
失效分析技术的发展趋势
智能化和自动化
1
多学科交叉
2
在线监测和预测
3
失效分析面临的挑战与困难
数据获取和处理
01
失效模式识别
02
失效原因分析
失效分析基础
•
紫外分光光度仪(UPS)
– 由于分子中价电子的跃迁而产生 特定分子紫外光吸收谱图; – 样品的萃取或淋洗液.
元素及分子片段测试:
• 二次离子质谱仪(SIMS)
– – – – 分析深度: 0.5–2nm 空间分辨率: 200nm 探测极限: PPM-PPB(所有元素) 属于定性分析.
• 气相色谱质谱联用仪(GC(Resonance)
• 了解特殊部件的固有频率, 减少特定的工作条件下的共振影响; • 异常的共振特性也能反映出部件外在和内在的缺陷;
硬度测试 (Hardness)
• 衡量材料机械特性之一的参数;
耐磨性测试 (Wear-ability)
• 衡量材料机械特性之一的参数;
什么是RCA?
• RCA 就是对失效事件进行层层分析, 持“抽丝剥茧”的态 度, 以求发现首要原因或根本原因. • RCA 行为包括如下步骤:
– – – – – 分析数据(背景/失效现象等) 将失效分解为基本事件; 列出可能原因; 鉴别和验证根本原因; 寻找纠正措施.
• RCA 行为的特点:
– – – – 由结果到原因的逆向追踪; 如同侦探调查案件,从证据和痕迹进行分析; 确保事件与其原因有严密的因果关系; 将原因追查之最底层次.
抗震测试 (Shock tester)
• 衡量产品在一定外部机械冲击下的可靠性; • 设计不合格, 结构/材料缺陷都会影响到抗震性能.
声波探侧 (Acoustic Emission Sensor)
• 利用声波传感器探测部件内部因气/液体泄露, 部件间摩擦或碰撞而产生的声波信号,从而 检测产品缺陷;
– 失效的现象及概率 – 失效时的工作/测试条件和环境状况 – 生产/包装/储藏信息
职业培训：失效分析知识
职业培训：失效分析知识失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它是根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。
在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。
目录1.失效分析的基本概念 (1)1.1 (1).失效的分类 (2)1.2.失效的发展过程 (3)1.3.失效分析的实施步骤 (4)1.4.小结 (4)2.失效分析流程 (5)3.失效分析方法 (5)3.1.前述 (5)3.2.失效模式诊断 (6)3. 3.失效原因诊断 (8)4. 4.失效机理诊断 (8)4.各种材料失效分析检测方法 (9)4. 1.PCB/PCBA失效分析 (9)4. 2.电子元器件失效分析 (10)5. 3.金属材料失效分析 (11)5.4.高分子材料失效分析 (12)4.5.复合材料失效分析 (13)4.6.涂层/镀层失效分析 (14)1.1.分析的基本概念一般的，狭义上的失效指的是机电产品丧失功能的现象，而失效分析则是分析诊断失效的模式、原因和机理，研究采取补救预测和预防措施的技术活动和管理活动，同时，与之相关的理论、技术和方法相交叉的综合学科则称之为失效学。
1.2.1.3.失效的分类我们常说的失效从失效模式和失效机理上来说，一般按下述方法进行分类：1、断裂失效：断裂失效常分为韧性断裂和脆性断裂两类，而脆性断裂又分为低温脆性断裂、辐射脆化断裂、氢损伤（氢脆）、应力腐蚀、液态金属脆化、液体侵蚀损伤、高温应力断裂（即蠕变断裂）、疲劳断裂这几种。
2、非断裂失效：基本分为磨损失效、腐蚀失效、变形失效几种，磨损失效一般包含磨粒磨损、粘着磨损两种，腐蚀失效分为氧化腐蚀和电化学腐蚀两种，变形时效分为弹性变形和塑性变形失效两种。
3、复合失效机理，顾名思义就是多种失效机理综合作用而成导致的失效，例如低周疲劳导致的断裂即是韧性断裂和疲劳断裂两种机理复合作用而成的，再如机件受高温应力+电化学腐蚀复合作用下，会出现烧蚀热蚀的失效现象等等。
失效分析技术基本知识和应用
2.3 韧性断裂的宏观与微观特征
▪ 2.3.1 韧性断裂的宏观特征 ▪ 零件所承受的载荷类型不同断口特征会有所差
异,但基本的断裂特征是相似的。以拉伸载荷 造成的韧性断裂为例,其断裂的宏观特征主要 有: ▪ (1)断口附件有明显宏观塑性变形。 ▪ (2)断口外形呈杯锥状。杯底垂直于主应力,锥 面平行于最大切应力,与主应力成45°角;或断 口平行于最大切应力,与主应力成45°的剪切 断口。 ▪ (3)断口表面呈纤维状,其颜色呈暗灰色。
▪ ③剖面观察
▪
截取剖面要求有一定的方
向，通常是用与断口表面垂直的平
面来截取(截取时注意保护断口表
面不受任何损伤)，垂直于断口表
面有两种切法。
▪ ⅰ.平行裂纹扩展方向截取，则可研 究断
▪ ⅱ.垂直裂纹扩展方向截取，在一定 位置的断口削面上，可研究某一特 定位置的区域。
▪ ①断口的宏观观察
▪
指用肉眼、放大镜、低
倍串的光学显微镜(体视显微
镜) ，这是断口分析的第一步和
基础。
▪ 通过宏观观察收集了断口上的宏观信息， 则可初步确定断裂的性质(脆性断裂、 韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂 等)，可以分析裂源的位置和裂纹扩展 方向，可以判断冶金质量和热处理质量 等。
▪ 观察时先用肉眼和低倍率放大镜 观察断口各区的概貌和相互关系， 然后选择细节、加大微细结构。 宏观观察时，尽可能拍照记录。
2.3.2 韧性断裂的微观特征
▪ 韧性断裂的微观特征主要是在断口上存在大量 的韧窝。不同加载方式造成的韧性断裂,其断 口上的韧窝形状是不同的。然而,只有通过电 镜(主要是扫描电镜)观察才能做出准确的判断。 需要指出的是:
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
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主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响 ★ 缩孔与疏松的消除
合理选择合金成分 合理的铸造工艺 合理的锻轧工艺 2020/4/25
2.偏析
凝固形成的晶体 内部由于扩散不 足引起的偏析。
金属在凝固时由 于某些因素的影 响而生产的化学 成分不均匀现象
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先结晶区域的化 学成分与后结晶 区域间的偏析。
三、夹杂物对钢性能的影响
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三 夹杂物对钢性能的影响
构件失效中，90%是疲劳失效(正常使用时)。
1. 夹杂物的类型 a. 脆性夹杂物
a. (OM像)
b. (SEM像)
38CrMoAl疲劳试样表面裂纹 疲劳断口, 夹杂物与钢基体脱开
图2-11 裂纹优先在较大夹杂物与钢基体交界处产生
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图2-21 焊缝中的延迟裂纹
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图2-22 焊缝中的淬硬脆化裂纹
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d. 层状撕裂
①层状撕裂温度不超过400℃； ②常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难修复的结
构破坏，甚至造成灾难性事故； ③低合金高强钢或调质钢的厚板结构，如采油平台、厚壁
容器、潜艇等，易发生层状撕裂。
图2-4 气孔
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白点：合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于
合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形 或椭圆形的斑点。
易发钢种：
含Cr、Ni、Mn的合金结 构钢及低合金工具钢
白点的消除：净化除气
提醒：含白点的钢材或
其它材料不能使用！
图2-5 白点
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二、锻轧件缺陷
强度条件：ε1 ≤εf
极限应变：εf ＝
σb
E
广义虎克定律：ε1 ＝ E1[σ1－μ(σ2＋σ3)]
即强度条件： σ1－μ(σ2＋σ3) ≤ [σ]
当单向拉伸时，ε1＝σ1／E＝εf ＝σb／E，
第二强度理论与第一强度理论完全一致。
10 c. 钢材表面脱碳
(a)
(b)
图2-8 锻制螺栓表面脱碳后的组织(a)及强度降低而变形(b)
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2. 钢材表面缺陷
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a. 划痕 b. 表面裂纹 c. 分层 d. 折叠 e. 结疤 ：金属锭或型材表面的凹凸坑(2～3mm)
图2-9 低碳钼钢管内壁的折叠和结疤
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四、焊接组织缺陷
1. 接头的形成与区域特征 回顾
热 影 响 区
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四 焊接组织缺陷
ca.. 接焊头缝组结织晶区过域程划分
b. 焊缝及热影响区的组织
图2-16 焊接接头区域、热影响区、焊缝结晶过程
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2. 焊接裂纹
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a. 热裂纹 ：有结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹
图2图-182-焊19缝焊中缝的中高的温多液边化化裂裂纹纹
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b. 再热裂纹
热处理过程中产生的裂纹，一般在550～650℃最为敏感。
图2-20 焊缝中的再热裂纹
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19 c. 冷裂纹
较低温度下在热影 响区产生的裂纹，是一 种影响较大的缺陷。有 以下三种类型： 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性脆化裂纹
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§2.2 力学计算基本概念
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一、传统强度理论
§2.2 力学计算基础 一 传统强度理论
强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。
断裂失效有：最大拉应力理论、最大拉应变理论
屈服失效有：最大切应力理论、形状改变比能理论
1. 强度理论
a．最大拉应力理论 (第一强度理论)
决定构件产生断裂失效的主要因素是最大拉应力 1 。
§2 失效分析基础知识
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材
力
料
学
知
失效
知
识
分析
识
化学知识
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§2.1 金属构件中的常见缺陷
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一、铸态组织缺陷
§2.1 常见缺陷 一 铸造缺陷
1. 缩孔与疏松
★ 形 貌 特 征
(a)低碳钼钢铸锭端部取样 图2-1 缩孔缺陷
(b) Cr17铸钢锭下部取样
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(a) 45钢铸锭的严重疏松 (b) 2Cr13钢热轧后退火的中心疏松 图2-2 疏松缺陷
1. 内部组织缺陷 a. 粗大的魏氏组织
危害: 脆性增加，强度下降!
提醒: 重要件不允许有魏氏组织
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二 锻轧件缺陷
图2-6 魏氏组织
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9 b.网络状碳化物及带状组织
(a)
(b)
图2-7 网络状碳化物(a)及带状组织(b)
危害：使性能呈各向异性! 提醒：常导致工、模具钢过早失效
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图2-23 T型接头的层状撕裂
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五、热处理组织缺陷
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五 热处理组织缺陷
零件在加热和冷却过程中，因热应力和组织 应力而生产的缺陷，如淬裂。
淬裂原因：1. 原材料已有缺陷
2. 原始组织不良 3. 有夹杂物 4. 淬火温度不当 5. 淬火时冷却不当 6. 有机械加工缺陷 7. 淬火后回火不及时
晶内偏析 晶间偏析
偏析
区域偏析 比重偏析
凝固形成的枝状 晶内由于扩散不 足引起的偏析。
先结晶区域的比 重不同于后结晶 区域间的偏析。
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偏析的预防 ① 净化合金液 ② 改善凝固条件 ③ 扩散退火处理
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图2-3 硫的区域偏析(硫印图)
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3. 气孔与白点
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气孔的类型：侵入气孔、析出气孔和反应气孔 气孔的危害：降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性 气孔的预防：合金液除气、合理的铸造工艺
13 b. 塑性夹杂物
图2-12 串链状夹杂物图2-13 硫化源自塑性夹杂物2020/4/25
14 c. 半塑性变形的夹杂物
(a)球型铝酸钙与铝硅酸盐复合夹杂物
(b)尖晶石型双氧化物与铝硅酸盐复合夹杂物
图2-14 复合夹杂物的变形
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15 2. 夹杂物对钢性能的影响
主要是指对强度和韧性的影响。 a. 夹杂物使钢产生微裂纹 b. 夹杂物易引起应力集中 c. 夹杂物降低钢的韧性
强度条件:σ1≤ [σ]，
而[σ] ＝
σb k
，K为安全系数
适用 ① 以拉伸为主的脆性材料，如铸铁、石料等； 范围 ② 主应力均为拉应力的二向应力状态的脆性材料。
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b．最大拉应变理论 (第二强度理论)
决定材料发生断裂失效的主要因素是单元体中的最大
拉应变ε1。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体 中的最大拉应变ε1 达到单向拉伸情况下发生断裂失效时的 拉应变极限值εf 时，材料就将发生断裂失效。