3第三章失效分析基本方法

• 首先制定一个科学的分析程序，是保证
失效分析工 作顺利而有效进行的前提条件。
3.2.2 失效分析的一般程序 一般说来，大体上包括： 1.调查失效事件的现场 2.收集背景材料 3.深入研究分析 4.综合归纳所有信息并提出初步结论 5.重现性试验或证明试验 6.确定失效原因并提出建议措施 7.写出分析报告等内容。
l、现场调查 （1）保护现场 （2）查明事故发生的时间、地点及失效过程 （3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口 （4）选取进一步分析的试样 （5）询问目击者及其他有关人员能提供的有关情况 （6）写出现场调查报告
2. 收集背景材料
（1）设备的自然情况 （2）设备的运行记录 （3）设备的维修历史情况 （4）设备失效的历史情况 （5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用
• （5）收集计算时必须的故障率数据；
• （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。
• 所用符号
• 故障树是一种逻辑图，是根据一定的 逻辑方式把一些特殊符号连接起来的树形 图。通常在故障树中出现的符号大体上可 分为逻辑门符号、故障事件符号和其它符 号三类（见图3.1）。
•
主要指的是分析管理情况是否存在缺乏适当
的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，
使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序
操作，缺乏严格的维修保养制度等问题。
• 3.1.3 失效系统工程分析法 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，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
• 故障树的合成
•
根据系统及其故障的已知数据和资
料，绘制故障树。在采用手工合成故障树
时，一边反复提出问题一边对树进行展开。
对各个门事件提出的问题是：该事件是由
于单一组元的故障引起的，还是由另外什
么组元的故障引起的？引起该事件的必要
且充分故障是什么？将图展开到基本事件
（原因）或没有必要再发展的事件为止
裂纹扩展，断裂源）
• （2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫 描电镜）
• （3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位 素、X射线、超声波等）
• （4）表面及界面成分分析（俄歇能谱） • （5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、
电子探针）
• （6）相结构分析（X射线衍射法） • （7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核。
（图3.2）。
如图是一个冷却
例
剂的供应系统，该
系统是由恒速泵、
热交换器、控制阀、
蓄水池及管道五个
组元组成的。该系
统的作用是对主要
设备供应足够的冷
却剂。因此，流到
热交换器的冷却剂
最少则为故障树的
上端事件。为分析
其失效原因而绘制
故障树（图3.2）。
3.2 失效分析的程序与步骤 3.2.1 分析程序的意义
• Machine（机器设备）、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。对于一个比较复杂的系统常采用此
• 种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作
•
• （1）人员情况的分析
•
主要指的是分析操作人员是否存在工作态度
不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章
• 2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的 思路及方法
• 较为常用的分析方法。一个具体的零 件失效后，根据其表现形式（过量变形、 表面损伤和断裂）进一步分析失效模式， 然后分析导致这种失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）、
的作用也是不同的。
•
除上述基本原则外，在分析方法上还应当注
意以下几点：
•
第一，尽可能采用比较方法 选择一个没有
失效的而且整个系统能与失效系统一一对比的系
统，将其与失效系统进行比较，从中找出差异。
这样将有利于尽快地找出失效的原因。
•
第二，历史方法 历史方法的客观依据，是物
质世界的运动变化和因果制约性。就是根据设备
2．故障树分析法
• 基本概念
•
故障树分析法是美国委托贝尔电话研究所于
1961年首先提出来的。故障树分析的概念来自数
学图论中树的概念和计算机算法符号。在分析中
把分析的设备叫做系统，把组成该设备的零件叫
组元。零件的工作状态用一些参数（压力、温度、 流量）来描述。
•
每种零件都处于两种状态（完好与失效）中
在同样的服役条件下过去表现的情况和变化规律，
来推断现在失效的可能原因。这主要依赖过去失
效资料的积累，运用归纳法和演绎法来分析失效
原因。
•
第三，逻辑方法 就是根据背景资料
(设计、材料、制造的情况等)和失效现场
调查材料以及分析、测试获得的信息进行
分析、比较、综合、归纳，作出判断和推
论，进而得出可能的失效原因。
作业等不安全行为以及缺乏经、反应迟钝和技术
低劣等局限性。
• （2）环境情况的分析
•
主要指的是分析产品在使用状态下所处的环
境条件，如载荷状态、大小、方向的变化，温度，
湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。
• （3）设备情况的分析。主要指的是分析材料的选 择，结构设计，加工制造水平及安装、运输保护 措施等。
• （4）管理情况的分析
第三章 失效分析基本方法
郭晓光
3.1 失效分析的思路及方法
• 3.1.1失效分析的思想方法 • 1、整体观念原则 • 一旦失效就要把设备→环境→人(管理)
当作一个整体(系统)来考虑。尽可能地设想 设备能出哪些问题，环境能造成哪些问题， 人为因素能造成哪些问题。然后根据调查 资料及检验结果，采用“排除法”把不成 为问题的问题逐个审查排除。
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。
1. 失效系统工程分析法主要类型
• （1）故障树分析法（简称FTA法） • （2）特征—因素图分析法 • （3）事件时序树分析法（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
• 2、从现象到本质的原则
• 从现象分析问题入手，进而找到产生 现象的原因，即失效的本质问题，才能解 决失效问题。
• 3、动态原则
• 所谓动态原则，是指机械产品对周围 的环境、条件或位置，总在那里作相对运 动。产品在服役中是如此，就是存放在仓 库里也是如此。
• 4、一分为二原则（两分法原则）
•
这个认识论的原则用于失效分析时，常指对
方便地计算出系统失效的概率。因而它是对一个
复杂的设备系统进行失效分析的重要工具。
• 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 最小数目的基本事件的集合；
（2）材料分析 材料选用不正确，热处 理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超 级，显微组织不符合要求，材料各向异性严 重，冶金缺陷等。
• （3）加工制造缺陷分析
•
铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺
陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严
重，装配不当，异物混入及漏检等。
• （4）使用及维护情况分析
• 超载、超温、超速，启动、停车频繁或 过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格， 冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养， 意外灾害预防措施不完善等。
维护说明书 （6）材料选择及其依据 （7）设备主要零部件的生产流程 （8）质量检验报告及有关的规范和标准
3. 技术参量复验
（1）材料的化学成分 （2）材料的金相组织及硬度 （3）常规力学性能 （4）主要零部件的几何参量及装配间隙
• 4. 深入分析研究 • （1）失效产品的直观检查（变形，损伤情况，
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，操作者及有关的科学工作者的 相互配合，才能圆满地解决问题。因此，如果在分析 以前没有设计出一个科学的分析程序和实施步骤，往 往就会出现工作忙乱、漏取数据、工作缓慢或走弯路， 甚至把分析时步骤搞颠倒，使某些应得的信息被另一 提前的步骤给毁掉了。
（5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实 可行。写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题 等。
符号
图3.1 故障树符号
• 3.1.2 相关性分析的思路及方法
•
一般用于具体零、部件及不太复杂的
设备系统的失效分析中。
• 1. 按照失效件制造的全过程及使用条件
的分析方法
（1）审查设计 如对使用条件估计不足 进行的设计，标准选用不当，设计判据不足 ，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或 凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等 均可能是致断因素。
（3）分析结果 为了寻找失效原因，采用何种方法 和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过 程一步步地介绍清楚。对于断裂件的分析，断口的宏观和 微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及 硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常 是不可缺少的
（4）问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常 情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一 步的分析讨论。
进口产品、名牌产品等不要盲目地崇拜，以为没
有缺点。
• 5、纵横交汇原则（立体性原则）
•
既然客观事物总是在不同的时、空范围内变
化，那么同一设备在不同的服役阶段、不同的环
境，就具有不同的性质或特点。所有机电设备的
失效率与时间的关系都服从“浴盆曲线”，但这
是从设备本身来看的特点；另外，同一温度、介பைடு நூலகம்
质或外界强迫振动，在服役不同阶段的介入所起
机械产品的失效分析报告通常应包括的内容
（1）概述 首先介绍失效事件的自然 情况；受何 部门或单位的委托；分析的 目的及要求；参加分析人 员情况；起止 时间等。
（2）失效事件的调查结果 简明扼要地 介绍失效 部件的损坏情况。当时的环境 条件及工况条件；当事人 和目击者对失 效事件的看法，失效部件的服役史、制造 史及有关的技术要求和标准。
的一种。因此，设备也处于两种状态中的一种：
正常或失效。所谓故障树分析就是分析各种事件 （系统组元的状态变化）之间的逻辑关系，分清
正常事件和异常事件（失效事件），再找出失效 原因。
•
故障树分析法有如下的特点：它可以查明与
失效事件有关的所有原因；作为一种手段，利用
树形图可把分析过程和结果表示出来，并可以很