失效分析基本方法
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在这里举例说明金属零件的常见失效 原因百度文库
金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳 起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内 部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状 况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装 配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特 性等）两个方面来考虑。
1、表面状态
表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但 对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲 劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。 大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起 源于构件的表面。
不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载 荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可 能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有 关。
实际零件在工作时都是非连续（有间歇） 运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极 限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显， 而间歇超载加载则会降低疲劳强度。因为 在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变 时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载 时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起 作用。
应用：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失 效方法 （1）审查设计（2）材料分析（3）加工制 造缺陷分析（4）使用及维修情况分析
2.根据产品失效形式及失效模式分析的思路 及方法
3.“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。步骤：
因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火 裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加 工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的 疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越 高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响 越显著。
2、零件的几何形状及尺寸
零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、 缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不 连续，就会产生应力集中。大的应力集中对疲劳裂 纹形成和扩展有很大作用。
5、材料的组织和性能
抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组 织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感 性小，循环韧性大。
在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强 度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及 与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高 材料的形变抗力；而合金元素主要是通过 提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响 疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢 的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体 较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合 组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光 体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量 的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的 热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸 铁，特别是球
6、使用环境
环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化， 会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早 的发生断裂失效。
一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升 高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降， 使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳 极限。
腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响， 但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常， 对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。 如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使 其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在 一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐 蚀条件下的疲劳极限低。
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.整体观念的原则 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）
对第二条从现象到本质，对于一个疲 劳断裂的零件，仅仅判断其是疲劳失 效是不够的，而更难、更关键的问题， 是要确定为什么会发生疲劳断裂。导 致疲劳失效的原因很多，常见的不下 40个。
除了上述基本原则外，在分析方法上还应 当注意一下几点：
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，进行比较。
第二，历史方法。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。
3.1.2相关性分析的思路及方法
概念：是从失效现象寻找失效原因或“顺 藤摸瓜”的分析思路。
（1）操作人员情况的分析
（2）环境情况的分析
（3）设备情况的分析
（4）管理情况的分析
3.1.3系统工程的分析思路及方法
概念：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。
特点：找出系统失效的原因与结果之间的 逻辑关系，并计算出设备系统失效与部件 之间的定量关系
零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、 扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件 尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光 滑试样的尺寸效应更为显著。
疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增 大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹 的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低 弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表 层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概 率，因而其疲劳强度就降低。
1.失效系统工程分析法的类型
（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） （4）故障率预测法 （5）失效模式及后果分析法（简称FMEA） （6）模糊数学分析法
3、装配与连接效应
装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很 大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命 提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连 接的可靠性有利。
4、载荷特性
零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时。 定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为 “次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现： a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增 大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于 疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以 提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载 锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬 化及局部应力集中松弛的结果。
金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳 起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内 部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状 况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装 配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特 性等）两个方面来考虑。
1、表面状态
表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但 对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲 劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。 大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起 源于构件的表面。
不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载 荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可 能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有 关。
实际零件在工作时都是非连续（有间歇） 运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极 限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显， 而间歇超载加载则会降低疲劳强度。因为 在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变 时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载 时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起 作用。
应用：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失 效方法 （1）审查设计（2）材料分析（3）加工制 造缺陷分析（4）使用及维修情况分析
2.根据产品失效形式及失效模式分析的思路 及方法
3.“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。步骤：
因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火 裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加 工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的 疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越 高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响 越显著。
2、零件的几何形状及尺寸
零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、 缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不 连续，就会产生应力集中。大的应力集中对疲劳裂 纹形成和扩展有很大作用。
5、材料的组织和性能
抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组 织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感 性小，循环韧性大。
在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强 度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及 与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高 材料的形变抗力；而合金元素主要是通过 提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响 疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢 的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体 较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合 组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光 体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量 的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的 热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸 铁，特别是球
6、使用环境
环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化， 会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早 的发生断裂失效。
一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升 高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降， 使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳 极限。
腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响， 但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常， 对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。 如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使 其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在 一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐 蚀条件下的疲劳极限低。
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.整体观念的原则 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）
对第二条从现象到本质，对于一个疲 劳断裂的零件，仅仅判断其是疲劳失 效是不够的，而更难、更关键的问题， 是要确定为什么会发生疲劳断裂。导 致疲劳失效的原因很多，常见的不下 40个。
除了上述基本原则外，在分析方法上还应 当注意一下几点：
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，进行比较。
第二，历史方法。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。
3.1.2相关性分析的思路及方法
概念：是从失效现象寻找失效原因或“顺 藤摸瓜”的分析思路。
（1）操作人员情况的分析
（2）环境情况的分析
（3）设备情况的分析
（4）管理情况的分析
3.1.3系统工程的分析思路及方法
概念：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。
特点：找出系统失效的原因与结果之间的 逻辑关系，并计算出设备系统失效与部件 之间的定量关系
零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、 扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件 尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光 滑试样的尺寸效应更为显著。
疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增 大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹 的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低 弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表 层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概 率，因而其疲劳强度就降低。
1.失效系统工程分析法的类型
（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） （4）故障率预测法 （5）失效模式及后果分析法（简称FMEA） （6）模糊数学分析法
3、装配与连接效应
装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很 大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命 提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连 接的可靠性有利。
4、载荷特性
零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时。 定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为 “次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现： a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增 大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于 疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以 提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载 锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬 化及局部应力集中松弛的结果。