《金屬材料零部件失效分析基礎與應用》 課件 第1章 緒論

1《金屬材料零部件失效分析基礎與應用》第1章緒

論目錄失效出現(xiàn)的宏觀原因失效分析的基本方法失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向失效分析的進展失效出現(xiàn)的宏觀原因1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因零部件失效現(xiàn)象在工程中并不少見。失效可以一般定義為：目前在機械裝備、冶金設備、鐵路、機車車輛等領域最重要及最廣泛使用的材料仍然是金屬材料，零部件發(fā)生失效往往是在各類應力作用下發(fā)生的。腐蝕失效問題一般有專門論述，本書不包括這部分內(nèi)容。造成早期失效的常見的宏觀原因歸結如下：1.

設計問題（零部件幾何形狀設計問題）一些失效問題是由設計不當造成的，例如人為的設計缺口。工程中有大量的軸類零件（受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷）、孔類零件，設計者往往將變截面處的圓角半徑取值過小，就屬這類設計缺點。這種設計在零件進行熱處理時，往往容易引起該處有很大殘余應力，同時在服役過程中引起應力集中。重新設計就可以避免失效。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因【例1-1】

不合理的尖角設計引起失效問題。重載軸承滾柱 材料采用G20Cr2Ni4A，進行深層滲碳＋淬火＋回火處理。在滾柱中部有一個圓孔如圖中虛線所示。在圓孔靠近表面處有一個臺階。該臺階在原設計時是90直角，導致在滾子使用過程中很容易在此處產(chǎn)生裂紋。后來改進設計將此處設計為圓弧過渡，大幅降低了開裂情況。軸承形狀圖與滾子圖1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因【例1-2】

零部件服役條件判斷有誤，導致設計依據(jù)不符合實際情況。標準件（如螺栓）是最常見的零部件，在各類機械中大量使用。對于標準件的設計，一些設計者的思路是依據(jù)標準件承受的拉應力進行設計，即以材料的強度指標作為設計依據(jù)。圖1-2是某典型設備上使用的直徑為30

mm的螺栓斷裂的斷口宏觀照片與金相組織照片。據(jù)了解，設計人員的出發(fā)點是保證螺栓有高的強度，依據(jù)材料的強度指標進行設計。選擇了GCr15材料進行加工（并沒有選擇合適的熱處理）。

，實際服役條件下螺栓的斷裂屬于疲勞斷裂（如何判斷見3.1節(jié)），由于設計思想有誤，導致螺栓早期斷裂。對于螺栓的設計，許多情況下設計者往往選用高強螺栓。但是在螺栓實際是受到疲勞載荷作用的情況下，并沒有達到設計要求。高強度常常有損于工件，使工件出現(xiàn)嚴重的應力增高區(qū)域。（a）斷口宏觀照片（b）螺栓金相組織照片（500×）螺栓疲勞斷口照片1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因2.

設計中選材或熱處理選擇不當這類問題實際上也可以歸類為設計問題。零部件進行設計時必須進行選材，設計人員的選材思路一般是根據(jù)零部件受力分析，但有時是仿照類似產(chǎn)品進行選材與設計，這時往往由于沒有考慮使用環(huán)境等影響因素出現(xiàn)選材或熱處理不當問題?！纠?-3】

高爾夫球頭裂紋問題。高爾夫球運動是一項具有特色魅力的運動，在我國也開始盛行。某公司采用鈦合金制作高爾夫球頭，出口到國外使用。在使用過程中鈦合金的球頭出現(xiàn)大量裂紋，如圖所示。（a）肉眼可見宏觀裂紋 （b）材料內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋鈦合金制作的高爾夫球頭使用過程中出現(xiàn)大量裂紋照片1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因【例1-4】

45鋼軸類件的不合理設計問題。設計一根材料為45鋼的軸類零件，如圖1-4所示，采用以下加工路線：下料→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→產(chǎn)品軸類零件設計圖紙1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因正確的設計應該是，

對零部件進行符合實際情況的受力分析，根據(jù)可以預測的斷裂機理進行全面選材，

選擇合理的加工、熱處理工藝。根據(jù)失效機理對選材提供一般性判據(jù)，對于正確選擇材料與熱處理有一定指導意義針對可能的失效機理、載荷類型、應力類型和指定的工作溫度進行選材時應用的一般性判據(jù)失效機理載荷類型應力類型工作溫度選材的通用判據(jù)靜態(tài)重復沖擊拉伸壓縮剪切低溫室溫高溫脆性斷裂×××××××××夏氏V形缺口轉(zhuǎn)變溫度，缺口韌性，KIC韌性值韌性斷裂×××××××××拉伸強度，剪切屈服強度高循環(huán)疲勞×××××××××在有典型的應力集中源存在時的預期壽命的疲勞強度低循環(huán)疲勞×××××××××有效的靜態(tài)塑性變形以及在指定的壽命中應力集中源處的峰值循環(huán)應變腐蝕疲勞×××××××××金屬和污染物腐蝕疲勞強度以及同樣時間的腐蝕疲勞強度扭曲失穩(wěn)×××××××××彈性模量和壓縮屈服強度全面屈服×××××××××屈服強度蠕變×××××××××在工作溫度下和預期壽命中的蠕變率或持久強度堿脆或氫脆×××××××××在應力和氫或其他化學環(huán)境同時作用下的穩(wěn)定性應力腐蝕開裂×××××××××殘余或附加應力，對介質(zhì)的腐蝕抗力，KIC值注：①

摘自“實驗力學”1970.1.P.1-14，T.

J.

Dolan的文章。②

僅適用于韌性金屬。③

幾百萬周。④

與經(jīng)歷的時間密切相關的量。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因3.

裝配中的失誤失效有時是由于在裝配中失誤造成的。這類失效一般都不會在檢驗中發(fā)現(xiàn)，而且裝配好的產(chǎn)品初次工作時也不會出現(xiàn)明顯的問題。這類失效往往與機械組裝件的轉(zhuǎn)動部分有關，而且在結構件中，有許多由裝配失誤引起的失效。例如，在鉚釘孔的布局中，由于不太合理，在飛機機翼結構件中引起疲勞失效?！纠?-5】

汽車皮帶張緊輪開裂問題。汽車皮帶張緊輪是汽車中一個必備的零部件，由鋁合金制造，內(nèi)部安裝一件卷簧，用于張緊汽車皮帶使用。某公司制備的張緊輪在使用過程中，用戶反映出現(xiàn)了斷裂情況，（a）斷裂的張緊輪 （b）張緊輪組裝后的照片斷裂的張緊輪及張緊輪組裝后的照片1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因4.

不合理的服役條件存在兩種情況：一種情況是設備在服役過程中受到超過設計要求的載荷作用，或者材料內(nèi)部存在殘余應力沒有引起設計者注意，再累加上服役應力造成失效，常見的是一些機動車輛的超載運行引起的事故；另一種情況是在設計時沒有考慮到實際工況的某些惡劣環(huán)境的影響，例如很多零部件受到交變載荷作用，設計者將材料的抗疲勞性能作為設計主要依據(jù)。疲勞裂紋源一般在表面位置，如果實際工況條件下存在腐蝕介質(zhì)與表面發(fā)生作用，將加速裂紋的形成。由于設計者沒有考慮到腐蝕作用，即使材料有高的疲勞強度仍然發(fā)生斷裂情況。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因5.

材料內(nèi)部組織不當或缺陷引起失效【例1-6】

鐵路道岔用高強螺栓斷裂分析。某公司研制一種特制高強螺栓M26，用于緊固鐵路上的道岔。根據(jù)公司技術人員介紹，他們設計的該高強螺栓材料選用40Cr，采用以下技術路線制造：下料→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→成品初期試用共制造了13根螺栓安裝在某車站附近，進行考核試驗。過了3個月左右，在13根螺栓中有1根發(fā)生了斷裂，剩余的12根螺栓沒有問題，還在繼續(xù)使用。公司有些技術人員認為：由于螺扣處加工精度不夠，造成應力集中引起斷裂。要求對斷裂的螺栓進行分析，說明為什么這根螺栓發(fā)生斷裂，對斷裂螺栓的金相組織進行分析，斷裂螺栓金相組織1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因由圖可見，螺栓的組織并非調(diào)質(zhì)處理后的組織。也就是說，經(jīng)過熱處理后螺栓沒有得到正確的組織，導致性能達不到要求引起斷裂。為什么會出現(xiàn)這種情況？對材料技能型分析結果見

，可見斷裂螺栓并非40Cr材料而是類似50鋼。因為淬透性不夠，所以淬火時沒能得到正確的組織。螺栓材料化學成分分析結果（質(zhì)量%）化學元素CCrMo含量/%0.550.0750.02040Cr材料標準值0.37～0.450.8～0.10應當說明的是：在實際失效零部件中，由于這種原因引起的失效確實時有發(fā)生。再加上進行失效分析的技術人員往往是材料專業(yè)的技術人員，所以往往一遇到失效問題，就認為一定是材料內(nèi)部出問題，從這點出發(fā)設計試驗方案、尋找失效分析原因，但是如前面所論述，材料內(nèi)部組織結構原因造成的失效，僅僅是引起失效的一種情況。依據(jù)尋找內(nèi)部組織缺陷的思路進行失效分析，并不是科學的分析思路。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因表1-3

在一些工程工業(yè)中調(diào)查的失效起因的比例表1-4

航空零件失效起因的比例（實驗室數(shù)據(jù)）起 因比例/%保養(yǎng)不恰當44安裝錯誤17設計缺陷16不正確的維修損壞10材料缺陷7未定原因8起 因比例/%材料選擇不恰當38裝配錯誤15錯誤的熱處理15機械設計錯誤11未預見的操作條件8環(huán)境控制不夠充分6不恰當?shù)幕蛉鄙俦O(jiān)測與質(zhì)量控制5材料混雜2表1-5

在一些工程工業(yè)中調(diào)查的失效原因的比例表1-6

航空零件失效原因的比例原 因比例/%腐蝕29疲勞25脆性斷裂16過載11應力腐蝕/腐蝕疲勞/氫脆6蠕變3磨損、擦傷、沖刷3原 因比例/%疲勞61過載18應力腐蝕8過度磨損70腐蝕3高溫氧化2應力破壞11.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因從上述分析及表1-3～表1-6可得到以下基本概念：（1）失效分析是一個多學科綜合性的技術問題，這就決定了對于一些大型復雜設備的失效問題，為獲得正確結論，必須是多學科的技術人員聯(lián)合在一起對失效原因進行全面分析。（2）由表1-3可見，由于材料、熱處理問題引起的失效所占比例高達55%，所以對于零部件的失效問題往往是具有材料專業(yè)學術背景的技術人員進行分析。但是對于材料專業(yè)的技術人員一定要牢記，由于材料與熱處理問題引起的失效所占比例雖然較高，但絕不是全部。在進行失效分析時必須要考慮其他可能原因，必須掌握其他相關學科必要的基礎知識，必須合理設計試驗方案，否則難以獲得正確的結果。這些交叉學科知識構成的基礎就成為對零部件進行失效分析的人員必須掌握的基礎知識?；A知識應包括哪些內(nèi)容呢？不同學者會有各自的觀點，本書根據(jù)筆者的認識在第2章進行了歸納。（3）對于生產(chǎn)實踐中的失效問題大致可以分成零部件的失效與復雜設備的故障。對于這兩類不同的失效問題采用的分析方法一般是不同的。對于一般零部件的失效問題往往采用常規(guī)實驗程序進行，而對于大型復雜設備的故障問題一般要采用系統(tǒng)工程的方法進行分析，其中典型的方法是故障樹分析方法。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因（4）斷裂問題是人們最關注的失效問題，這是本書的重點分析內(nèi)容。根據(jù)表1-3與表1-4可知，疲勞斷裂與腐蝕失效又是失效問題中最引人注意的問題，為突出教學重點，本節(jié)以疲勞斷裂分析作為教學重點，以此為突破口培養(yǎng)使初學者掌握失效分析技術的技能。至于腐蝕問題一般有專門的課程進行教學，本書不再做論述。（5）典型機械零部件服役條件與常見失效方式典型機械零部件服役條件與常見失效方式零部件類型服役條件常見失效方式材料選擇的一般標準（主要失效抗力指標）負荷種類及速度應力狀態(tài)磨損溫度介質(zhì)振動過量變形塑斷脆斷表面變化尺寸變化疲勞咬蝕腐蝕疲勞蠕變腐蝕應力腐蝕靜疲勞沖擊拉壓彎扭切接觸緊固螺栓△△△△△△△△△疲勞、屈服及剪切強度軸類零件△△△△△△△△△△靜強度、彎、扭復合疲勞強度齒輪△△△△△△△△△△彎曲和接觸疲勞耐磨性；心部屈服強度螺旋彈簧△△△△△△△△扭轉(zhuǎn)疲勞、彈性極限、受扭彈簧是彎曲疲勞板彈簧△△△△△△彎曲疲勞、彈性極限滑動軸承△△△△△△△△△△△△疲勞、耐磨性、耐蝕性滾動軸承△△△△△△△△△△△△接觸疲勞、耐磨性、耐蝕性曲軸△△△△△△△△△△△扭轉(zhuǎn)、彎曲疲勞耐磨性、循環(huán)韌性連桿△△△△△△拉壓疲勞活塞銷△△△△△△△疲勞強度、耐磨性連桿螺栓△△△△△△拉壓疲勞、缺口偏斜拉伸強度、剪切和屈服強度汽輪機葉片△△△△△△△△△△△△高溫彎曲疲勞、蠕變及持久強度、耐蝕性、循環(huán)韌性失效分析的基本方法1.2.1 常規(guī)分析方法1.

現(xiàn)場了解情況并收集背景材料盡可能地詳細了解失效零部件的歷史資料，如零部件設計、使用情況、失效的數(shù)量、是第一次設計使用就出現(xiàn)問題，還是原來使用沒有出現(xiàn)問題，僅是本次出現(xiàn)問題。并且盡可能對失效現(xiàn)場情況進行詳細拍照。例如，很多情況下制造方都懷疑是由于原材料有冶金缺陷、夾雜物過多等內(nèi)部質(zhì)量問題造成零部件失效。這時可以通過了解失效零件的數(shù)量來進行初步的判斷。如果一批原材料制造的同種零件中，僅少數(shù)幾件發(fā)生破壞，一般可初步判斷與原材料冶金質(zhì)量關系不大。因為如果這批原材料存在嚴重質(zhì)量問題（如成分不對、大量冶金缺陷），一般是會分布在整批材料中，缺陷僅集中在材料某一個部位的概率并不大，所以應該有很多零件均會受到原材料的影響，造成發(fā)生破壞零件的數(shù)量就不會太少。1.2.1 常規(guī)分析方法2.

肉眼或放大鏡詳細觀察斷裂現(xiàn)象觀察失效零部件的總體形貌并做詳細記錄。如果是斷裂零部件，則要詳細觀察斷口、斷裂位置、斷裂位置上是否有特征（如在臺階部位等）、斷裂位置與服役狀態(tài)下應力的關系等?！纠?-7】 斷裂位置與材料內(nèi)部缺陷的關系。某大型設備中安裝了一批固定零部件的螺栓，在使用過程中發(fā)生斷裂，一共斷裂了9件。通過觀察發(fā)現(xiàn)螺栓發(fā)生斷裂的位置基本一致，均在距離螺帽頂端一定距離的部位，根據(jù)這個現(xiàn)象初步判斷，螺栓的斷裂不大可能是材料內(nèi)部的組織缺陷問題，這是因為不可能每顆螺栓中的材料缺陷均集中在同一個位置上。因此，斷裂位置的確認對于分析原因、設計試驗方案有重要的啟示作用。將斷裂成兩段的兩顆螺栓斷口復原的螺栓形狀照片（測定斷裂位置基本相同）1.2.1 常規(guī)分析方法3.

了解零部件在整個機構中的作用及受力分析零部件發(fā)生失效往往是在力作用下發(fā)生的，因此應該盡可能根據(jù)零件的形狀與服役條件對零部件受力情況進行分析，至少要定性分析。目的是確定零件的受力狀態(tài)，判斷零件是在何種應力作用下失效的。首先需要了解零部件在機構中的作用。如果失效不是在零件受力最大的部位，就有理由懷疑材料的組織可能存在問題，或者在服役過程中受到不應有的外力作用。對于一些大型構件破壞往往需要采用有限元等方法對構件各個部位的受力情況進行定量分析，將各個部位受到的應力值與材料性能指標進行對比分析，從中得到關于零部件失效原因的重要信息。在一些情況下定量分析可以直接獲得失效原因，即使不能獲得原因，對后面的分析也有直接的指導作用。在很多情況下，可以通過斷口宏觀分析、斷裂位置分析，對零部件的受力情況得到定性概念。1.2.1 常規(guī)分析方法【例1-8】 根據(jù) 中斷裂螺栓的變形情況進行受力分析。對于螺栓類標準件而言，一般情況下是按照僅受拉應力進行設計的。但是從圖1-7可見，將螺栓斷口對合后，螺栓發(fā)生彎曲變形。所以有理由認為在本案例中螺栓在服役狀態(tài)下，螺栓除受到拉應力作用，還受到了彎曲載荷。至于彎曲載荷是一次性作用還是交變載荷，還需要作進一步分析。將斷裂成兩段的兩顆螺栓斷口復原的螺栓形狀照片（測定斷裂位置基本相同）1.2.1 常規(guī)分析方法【例1-9】 根據(jù)斷口進行受力分析。大型設備中M30螺栓發(fā)生斷裂，斷裂位置與斷口形貌由圖可見，螺栓斷裂后并沒有發(fā)生彎曲變形，說明螺栓在服役狀態(tài)下受到的拉應力基本是垂直于斷口的，即作用力是平行螺栓軸線的。這種作用力是一次性作用力還是交變載荷？從斷口上可以得到初步判斷。（a）斷裂位置 （b）宏觀斷口形貌M30螺栓斷裂情況1.2.1 常規(guī)分析方法材料化學成分分析目的是：在認定選材合理的前提下，判斷實際材料成分與標準要求的成分是否吻合。一般來說，如果原材料化學成分不符合技術要求，往往認為是失效的主要原因，供貨商要承擔責任。對失效的零部件進行性能測定目的是：與要求的性能指標進行對照，判斷是否達到設計要求。在可能的情況下應盡量在出現(xiàn)問題的部位附近截取樣品（如斷口附近、裂紋附近等）。問題是選擇何種性能進行測試？測試的依據(jù)是什么？主要根據(jù)斷裂機制進行確定。如果判斷其斷裂屬于脆性斷裂，一般要測定零部件的沖擊性能，判斷是否由于材料韌性低造成斷裂？如果判斷其斷裂屬于疲勞斷裂，就需要測定零部件的疲勞性能。1.2.1 常規(guī)分析方法金相組織分析目的是：判斷是否與要求的組織吻合，有時要配合掃描電鏡甚至透射電鏡進行分析。這一步是非常關鍵的一步，也往往是最難的一步，許多初學者由于沒有掌握正確的分析方法及經(jīng)驗不足，很難對金相組織進行正確的判斷。金相組織分析屬于失效分析必備的基礎知識，在第2章中將專門介紹。斷口微觀形貌分析與組織的電鏡分析采用掃描電鏡對斷口進行分析，目的是根據(jù)斷口上顯示的微觀形貌，進一步明確斷裂的機理。有時采用光學顯微鏡難以確定材料內(nèi)部微觀組織，此時可以采用掃描電鏡甚至透射電鏡對材料微觀組織進行分析。1.2.1 常規(guī)分析方法目的是：對失效原因及斷裂機理進行驗證。在一般失效分析中不會進行。在制定試驗方案時務必明確每一步的目的，應該說明的是生產(chǎn)實踐中很多失效分析并不是均要完整地進行上述全部步驟，有些情況下僅做其中的幾個步驟就可以判斷出失效的原因。但是在一般失效分析中，1、2、3、5這幾個步驟往往是必須要做的。8.

在模擬條件下進行失效模擬實驗1.2.2 系統(tǒng)分析方法一些復雜設備系統(tǒng)發(fā)生失效，其失效因素一定會非常多，根據(jù)系統(tǒng)工程的原理，將系統(tǒng)分析方法應用于失效分析，其中最典型的方法是故障樹分析法，又稱為FTA[4－5]。該方法的特點是：通過對造成系統(tǒng)失效的各類因素進行分析，畫出框圖，從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能的組合或發(fā)生概率的。該方法是用特定符號將可能導致失效發(fā)生的各種因素，沿著發(fā)生經(jīng)過將這些因素聯(lián)系起來，用一種樹的形式表現(xiàn)出來。從已經(jīng)發(fā)生的事故出發(fā)逆著失效發(fā)生過程進行分析。該過程與編寫計算機程序時首先畫出一個框圖有類似之處。眾所周知，一個復雜設備投入使用一般會經(jīng)歷以下生產(chǎn)過程：整體設計（結構設計、力學分析）→零部件設計（形狀尺寸設計、材料選擇、加工方法與各類熱處理選擇）→零部件加工（材料購買、熱加工、熱處理、冷加工等）→零部件組裝成設備→投入使用1.2.2 系統(tǒng)分析方法如果該設備在使用過程中發(fā)生失效，則上述各個過程的每一個環(huán)節(jié)均有可能存在潛在事故發(fā)生的原因，因此可沿著與制造過程相反的方向進行分析。故障樹建立方法如下：第一級：頂事件，即失效事故。需根據(jù)情況進行定義，實際上是對失效分析的目的進行定位。第二級：導致頂事件發(fā)生的直接原因的故障事件，并且將它們與頂事件間的邏輯關系用符號連接起來。第三級：導致二級故障發(fā)生的直接原因的故障事件，并且將它們與二級事件間的邏輯關系用符號連接起來。如此繼續(xù)，一直到底事件為止（一般是追到整體設計）。對于復雜系統(tǒng)，也可以將頂事件下的一級或二級故障樹建成幾個子故障樹進行分析，最后進行綜合，這樣有時可以使分析簡化。1.2.2 系統(tǒng)分析方法建立故障樹時一定會摻雜建樹者的觀點，對于同一失效問題建立的故障樹也會有所不同，因此應該邀請各方面技術人員共同參加討論。建立故障樹的目的是反映出系統(tǒng)故障的內(nèi)在聯(lián)系，并且形象地表達出來。建樹要注意以下幾點：（1）充分了解設備的使用過程與設計原理（尤其是關鍵零部件的受力分析），這樣才能選準建樹的流程。（2）充分了解故障的宏觀現(xiàn)象，這樣才能合理確定出頂層事件。（3）對系統(tǒng)中的邏輯關系及條件必須分析清楚，不能有邏輯混亂與條件矛盾。（4）故障事件定義要準確。1.2.2 系統(tǒng)分析方法對于一個復雜的設備出現(xiàn)故障，很多情況下通過宏觀分析可以確定出是由于哪些主要零部件出現(xiàn)問題而導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，所以歸結于一些主要零部件的分析。因此，對于主要零部件的正確建樹就顯得非常重要。根據(jù)1.1節(jié)中失效可能出現(xiàn)的各類宏觀原因，一般可從以下幾個方面考慮FAT上的分枝建樹：（1）使用過程中的問題：充分了解零部件在服役條件下的受力情況與服役條件，最好是有定量數(shù)據(jù)，至少要有定量概念。是受到交變載荷還是純拉、純扭？是低溫下使用還是常溫？是否有殘余應力的作用？是否有錯誤操作問題？是否有腐蝕環(huán)境沒有充分考慮到（如要求在潤滑條件下使用，但是實際情況沒有加潤滑油）？對于這些問題的重要性必須要有充分認識。（2）結構設計問題：失效主要表現(xiàn)為斷裂、過度變形與表面損傷。這些問題的出現(xiàn)均與零部件在服役過程中受應力有密切關系。因此，要與設計人員配合詳細分析該零部件進行設計的依據(jù)，是否進行過詳細的受力分析計算？這種計算是否合理、全面？在設計時除考慮零部件在服役條件下的應力外，是否考慮加工過程中的殘余應力、裝配應力等。同時對零部件的形狀改變引起的應力集中也要充分考慮。1.2.2 系統(tǒng)分析方法序號符號名 稱說 明1要說明的故障（頂事件）最終要說明的故障2或基本事件（底事件）發(fā)生故障的根本原因，即可以單獨獲得發(fā)生故障的概率的基本現(xiàn)象（底事件）。有時用虛線，表示人為錯誤引起的底事件3故障現(xiàn)象（故障事件）由底事件到頂事件中間的故障現(xiàn)象（事件）。其上、下應與邏輯門連接（3）選材、加工工藝及材質(zhì)存在的問題：主要考慮選材是否合理？材料的性能及尺寸等能否滿足設計要求？在加工過程中是否會引起材質(zhì)變化？材料最終的組織結構是否達到要求？（4）裝配上存在問題：在裝配過程中是否引起額外應力？是否損傷工件等。在上述資料盡可能充分的條件下，需要認真分析重點研究哪個分支。建立故障樹所用符號見表。故障樹中所用符號及其含義1.2.2 系統(tǒng)分析方法續(xù)表序號符號名 稱說 明4“與”門輸入現(xiàn)象A、B、C同時存在時，輸入現(xiàn)象D才必然出現(xiàn)的邏輯乘法5“或”門輸入現(xiàn)象A、B中，無論哪一個存在時，輸出現(xiàn)象C均能出現(xiàn)的邏輯加法6“禁”門表示只有因素B存在時，A現(xiàn)象的輸入才能導致C的輸出7優(yōu)先與門輸入事件中某一事件要優(yōu)先輸入，輸出事件才能發(fā)生，

圖例中B

要優(yōu)先輸入。B∩A或C，D8相依與門輸入事件A、B互相依存，A輸入時B必然發(fā)生，則頂事件就發(fā)生，稱之相依與門9不發(fā)展事件不再發(fā)展的事件1.2.2 系統(tǒng)分析方法【例1-10】 建立柴油機“機破”事故分析的FTA圖。某機務段配屬的DF4型內(nèi)燃機車，經(jīng)過大修后僅運行8萬千米就在運行期間發(fā)生“機破”事故。此事故涉及鐵路安全運行問題，有關部門提出必須要進行認真分析，其目的是探明事故發(fā)生的具體原因，杜絕今后出現(xiàn)類似事故。同時也要明確事故的責任主體單位。要建立FTA圖，首先需要組成一個分析團隊，包括柴油機專業(yè)教師、材料專業(yè)教師、柴油機制造設計師、柴油機大維修廠工程師、提供各類配件的企業(yè)的工程師。為了進行失效分析，的柴油機為四沖程柴油機，共16缸，采用廢氣渦輪增壓。其基本工作原理與一般的柴油機類同。1—氣缸；2—活塞；3—連桿；4—曲軸；5—氣缸頭；6—進氣門；7—噴油嘴；8—排氣門。柴油機結構1.2.2 系統(tǒng)分析方法團隊成員共同到現(xiàn)場了解詳細狀況，拍攝各種照片，獲得的觀察結果如下：（1）活塞下穿4顆連接螺栓均折斷，見圖（a）。其中2顆螺栓（編號為DJ96093888、DJ9609311）斷口齊平，另一顆編號為DJ96093的螺栓彎曲變形，頭部有明顯擠傷痕跡。編號為DJ96093888的螺栓斷口邊緣能看到因高溫受熱產(chǎn)生的藍色痕跡，見圖（b）。圖中發(fā)生彎曲的下穿螺栓顯然只有受到橫向力作用才會發(fā)生彎曲。所以在4顆活塞下穿螺栓中，發(fā)生彎曲的2顆螺栓應該是后發(fā)生斷裂的。而2顆沒有彎曲、斷口平齊的下穿螺栓應該是先發(fā)生斷裂的。（2）兩顆連桿螺栓均斷裂，其中CS96.03-119-1螺栓斷口較平齊，而CS96.03-11-2螺栓有明顯頸縮現(xiàn)象，見圖（c）。顯然發(fā)生明顯頸縮現(xiàn)象的連桿螺栓應該是后斷裂的，而斷口平齊的連桿螺栓是先發(fā)生斷裂的。（3）連桿彎曲嚴重，彎曲方向與連桿運動平面垂直，在彎曲處有明顯受擠壓變形后留下的痕跡，邊緣已變成藍色，見圖（d）、（e）。1.2.2 系統(tǒng)分析方法（4）活塞頂裙分離，裙部碎成多塊，其中兩塊較大，上面分布著4個螺栓孔及定位銷孔。4個螺栓孔內(nèi)基本保持圓形，在孔內(nèi)上部可看到螺紋，見圖（f）。鋼頂發(fā)生嚴重變形，有明顯受擠壓痕跡，且冷卻腔表面已變成藍色，見圖（g）。鋼頂側面有受摩擦而留下痕跡，見圖1-10（i）。鋼頂內(nèi)殘留下的4顆斷裂螺栓中，有3顆（平齊剪切斷口）用手撥動可使其轉(zhuǎn)動。（5）活塞裙碎片上可發(fā)現(xiàn)距活塞銷擋環(huán)槽約4.5

mm與13.5

mm處有兩道較深的磨痕。（6）活塞銷端部有明顯碰傷痕跡，外圓表面凸棱有手感但沒有發(fā)現(xiàn)表面有燒傷變色痕跡。（7）曲軸彎曲嚴重，最大徑向跳動可達0.48

mm，軸頸磨損最嚴重處出現(xiàn)凸棱，且小了0.2m。連桿軸頸未貼附減摩合金和燒損變色。（8）缸蓋受到嚴重撞擊，見圖（k），兩個排氣門對應于避伐坑內(nèi)邊緣處有明顯碰撞痕跡。兩個排氣門比兩個進氣門扭曲嚴重。1.2.2 系統(tǒng)分析方法（a）斷裂的4顆活塞下穿螺栓

（b）DJ96093888活塞下穿螺栓斷口（c）斷裂的連桿螺栓（d）連桿擠彎

（e）連桿受擠磨痕（f）鋁裙螺栓孔內(nèi)螺紋（g）鋁裙全部破碎（h）鋼頂冷卻腔表面變成藍色（i）鋼頂一側的邊緣受摩擦留下痕跡（j）鋁裙上留下的磨痕照片（k）缸蓋破損宏觀照片1.2.2 系統(tǒng)分析方法在上述工作的基礎上，建立FTA圖，（1）頂事件是柴油機“機破”，它可能與設計、選材、使用、裝配等四個第二級事件有關，用“或”門與頂事件相連。團隊人員一致認為，此次“機破”事故與設計、使用過程無關，依據(jù)是：這種類型柴油機數(shù)以千計使用多年均無問題，說明設計不會導致事故。此類機車自動化程度較高，操作均是按照規(guī)程進行，即使有誤操作也不會導致“機破”。因此，將設計與操作定為“不發(fā)展事件”。（2）在第二級事件“零部件斷裂”中，團隊人員一致認為，如果出問題只能在柴油機的“運動件”上，其中包括活塞組、連桿組、曲軸及其附件、半剛性聯(lián)軸器、減振器等。其中曲軸及其附件、半剛性聯(lián)軸器、減振器與本次事故無關，所以與“零部件斷裂”有關的第三級事件包括連桿斷裂、鋁裙斷裂、連桿螺栓斷裂、活塞下穿螺栓斷裂等四種零部件?！?.2.2 系統(tǒng)分析方法柴油機“機破”事故分析的FTA圖失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向失效分析課程往往是為材料專業(yè)學生開設的，對于材料專業(yè)的學生，在初次接觸到失效分析課題時，往往存在一種錯誤認識，認為失效分析目的就是找出材料內(nèi)部的組織缺陷。實際在很多情況下這并非失效分析的主要目的。失效分析的主要目的可歸納為以下幾點：（1）判斷零部件失效機理，包括斷裂機理（韌性斷裂、疲勞斷裂等）、磨損失效、變形機理等，為避免發(fā)生類似事故奠定最重要的基礎。（2）在明確失效機理的基礎上，判斷引起失效的應力方向和應力類型。最好是能夠定量分析出其應力值，這點是非常關鍵的分析目的。只有在清楚了解引起失效的各類應力（服役應力、附加應力及殘余應力等）情況下才有可能提出正確的改進措施。（3）對比制備零部件材料的力學性能與引起失效的應力值，判斷失效原因。（4）分析是否因為材料內(nèi)部存在組織結構缺陷，降低了材料應具備的性能導致失效。1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向在進行失效分析工作時必須注意以下幾點：（1）首先要詳細分析零部件的受力狀態(tài)，最好定量分析，至少是定性分析（包括殘余應力狀態(tài)）。尤其注意服役狀態(tài)的應力方向與失效工件間的關系，如裂紋是否沿最大應力方向擴展等。（2）分析在服役過程中哪些因素可能造成受力狀態(tài)的不正常，而產(chǎn)生非正常的應力。（3）分析零部件在加工過程中，哪些工藝會產(chǎn)生較大的應力（如鍛造應力、淬火應力等）及殘余應力狀態(tài)。尤其注意分析殘余應力與失效工件間的關系。（4）在上面基礎上再進行材料成分、組織結構等分析。1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向【例1-11】 鋼腳件裂紋分析。鋼腳件是電力系統(tǒng)用來架設電線的一個部件，材料采用45鋼制作，熱處理工藝如下：鍛造→正火→淬火→回火在一次生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鋼腳件中出現(xiàn)裂紋，需要分析原因。分析人員開始希望從材料缺陷角度尋找原因，分析了材料中的夾雜物，（a）硫化物夾雜（b）硫化物＋氧化物＋硅酸鹽＋鋁化物夾雜鋼腳件中的夾雜物1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向在材料中確實發(fā)現(xiàn)存在較多夾雜物，已經(jīng)超過標準要求。開始認為是由于夾雜物問題引起淬火時裂紋。根據(jù)這個結果廠方采用夾雜物少的45鋼制作鋼腳件，同樣發(fā)生裂紋。后改變分析思路，首先詳細觀察裂紋形貌，裂紋源處于工件的次表面。結合工件的生產(chǎn)工藝分析應力從何而來？從生產(chǎn)工藝可見裂紋產(chǎn)生只有可能出現(xiàn)在鍛造與淬火過程。由于裂紋兩側沒有脫碳層與夾雜物，說明是在淬火過程中由于淬火應力過大造成開裂。淬火時由組織應力與熱應力構成合成應力，裂紋源處于次表層，說明合成應力最大值處于次表層。根據(jù)試驗結果分析思路改變?yōu)榧芯Ψ治觯簽槭裁创慊饡r會產(chǎn)生超常規(guī)的合成應力？鋼腳件裂紋形貌照片1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向詳細了解淬火工藝后發(fā)現(xiàn)：廠方淬火時采用箱式爐加熱淬火，為提高工效，淬火保溫時間較短，造成心部沒有完全奧氏體化就淬火，減少組織應力作用，使合成應力最大值處于次表面，同時應力值超過材料強度極限斷裂。因此，建議廠方延長保溫時間，問題便可得到解決。最后將上述分析方法進行總結，鋼腳件裂紋形貌照片分析方法的名稱分析方法的功能采用該方法的目的在使用中要求掌握的能力在失效分析中使用的頻率材料宏觀冶金質(zhì)量與成分分析檢查材料的冶金質(zhì)量與化學成分判斷是否達到要求的質(zhì)量樣品制備技術，腐蝕液的選擇，

標準圖譜對比較高斷裂現(xiàn)象宏觀分析分析斷裂位置、裂紋形貌、斷口宏觀形貌等判斷裂紋源位置、斷裂性質(zhì)，為進一步深入分析奠定基礎宏觀斷口分析技能很高金相顯微鏡（OM）觀察材料的顯微組織形貌判斷是否達到標準要求，判斷裂紋的走向，判斷處理工藝制備樣品的能力及組織分辨能力很高掃

描

電

子

顯

微

鏡（SEM）觀察破斷零件的斷口；配合能譜裝置，分析斷口上成分，觀察組織判斷斷裂機理；

進一步分析微觀組織各類典型斷口形貌；

各類微觀組織的特征較高透

射

電

子

顯

微

鏡（TEM）觀察微觀區(qū)域的組織與結構判斷微區(qū)的組織與結構對零件失效的影響熟悉原理；

會進行結構的標定一般力學性能測定測定零件的各類機械性能判斷失效零件的性能是否滿足標準要求明確所測定性能指標的物理意義很高外載荷定性分析確定應力類型及最大應力的部位與應力方向分析斷裂位置與最大應力、應力類型的關系為斷裂機理分析提供依據(jù)，

掌握材料力學一般知識很高加工過程中應力分析確定最大應力發(fā)生的部位及方向分析應力方向與裂紋斷口的關系掌握應力產(chǎn)生原理很高有限元方法定量計算關鍵部位的應力及變形數(shù)值判斷零件工作狀態(tài)下應力具體值及對失效的影響熟悉有限元理論，會使用大型軟件應該很高，但是目前很少失效分析的進展1.4.1 失效的定量分析技術目前對于零部件的失效分析，主要依靠材料學、力學、斷口學等基礎知識，結合裂紋分析、金相組織分析、殘余應力分析等方法進行經(jīng)驗性的分析，主要是定性分析，獲得的結論一般均是定性的結論。雖然定性分析能解決大量的實際問題，但是失效工作中定量分析一直是人們夢寐以求的。近年來我國學者為對疲勞斷裂過程進行定量分析，建立了金屬疲勞斷口數(shù)學物理模型[7]，根據(jù)斷口形貌定量反推原始疲勞質(zhì)量，推算疲勞壽命與疲勞應力[8]取得很大進展。在對零部件進行失效分析過程中，應盡可能利用這些成果進行定量分析，即使有不完善、甚至不準確之處，也是應該努力的發(fā)展方向。本書第3章將對疲勞斷裂定量分析進行初步論述。1.4.2 新材料的失效分析由于金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，金屬材料制備的零部件數(shù)量遠多于其他材料。因此，對于金屬材料零部件的失效分析是最成熟的。當前由于各類新材料的大量使用，一些新材料的失效問題也不斷出現(xiàn)，構成新的研究方向。例如在航天航空領域，采用樹脂基、金屬基復合材料可以大幅度提高比強度、比剛度，在降低飛機結構質(zhì)量系數(shù)方面起到舉足輕重的作用，所以復合材料的失效分析越來越受到人們的重視。對于這些新材料的失效分析，基本思路和基本分析方法與金屬材料是一致的。但是由于新材料有自身的特殊性，在進行失效分析時必須引起注意。以下以金屬基復合材料為例來進行說明。1.4.2 新材料的失效分析【例1-12】 20世紀80年代，日本豐田公司采用Al2O3短纖維增強汽車活塞材料（類似國產(chǎn)ZL109鋁合金）用于柴油機活塞第一環(huán)槽，取得了良好的效果。隨后國內(nèi)外一些機構便開展了對Al2O3短纖維增強Al基復合材料的研究。采用Al2O3短纖維增強ZL109鋁合金與Al-5.5%Mg合金制備成復合材料后，測定力學性能，獲得完全不同的力學性能數(shù)據(jù)，纖維體積分數(shù)/%抗拉強度/MPa延伸率/%02901383094.8153342.4203512.0纖維體積分數(shù)/%抗拉強度/MPa延伸率/%03002.382100.8151800.7201600.6Al2O3短纖維增強Al-5.5%Mg復合材料強度測定結果Al2O3短纖維增強ZL109復合材料強度測定結果1.4.2 新材料的失效分析可見纖維加入不同的鋁合金中，起到的強化效果完全不同。對于Al-5.5%Mg合金，纖維加入能起到強化效果，且隨纖維的體積分數(shù)增加強化效果增強。但是對于ZL109合金則完全相反，隨著纖維體積分數(shù)的增加，強度不斷下降（相當失效）。為了分析原因，可以采用常規(guī)方法分析斷口、金相組織，但是最關鍵的是分析界面。 是Al2O3短纖維增強ZL109合金界面的透射電鏡照片。（a）（d）（b） （c）Al2O3短纖維增強ZL109復合材料界面透射電鏡照片1.4.3 失效分析專家系統(tǒng)失效分析是包括事故分析、失效機理的提出與事故的預防等在內(nèi)的綜合研究。到目前為止，人們主要依據(jù)經(jīng)驗和已經(jīng)獲得的斷口、裂紋、金相圖譜等經(jīng)驗資料進行分析?，F(xiàn)有的圖譜與案例集基本上是針對具體情況的“特殊分析”的分析，并且是定性的分析。這種分析的準確性取決于分析人員的素質(zhì)。初步涉入失效分析領域的技術人員，分析出的結論往往可靠性偏低。只有長期從事失效分析工作的專家，得到的分析結果才具有很高的可靠性。所謂專家系統(tǒng)，是指在某一特定領域內(nèi)，將人類失效專家積累的豐富經(jīng)驗與計算機強大計算能力結合，通過一定的邏輯推理編制出的計算機求解的應用程序系統(tǒng)。理論上希望系統(tǒng)具有該領域?qū)＜壹壦降闹R、經(jīng)驗和能力，可以求解出只有高級專家才能解決的問題，使一般的工程技術人員在計算機的幫助下，具有專家的思路、知識系統(tǒng)、經(jīng)驗，能解決實際問題。1.4.3 失效分析專家系統(tǒng)建立專家系統(tǒng)的思路簡介如下：1.人類專家進行失效分析時需要具備的素質(zhì)與分析基本思路首先人類專家必須具備深厚的知識結構，這種知識結構可以分成兩大類，一類是在此領域的基礎知識，另一類是豐富的實踐經(jīng)驗，即他本人分析過的大量的案例。為模擬人類專家，專家系統(tǒng)也必須具備這樣的“素質(zhì)”，即通常所