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机械零件失效分析技术路线

翟凤 张鹏 赵举

摘 要：基于当前常见的失效分析思路往往在某些方面存在缺陷，本文对失效分析过程进行全面的总结和归纳，形成一个完整的全面的，能够在失效分析领域通用的失效分析思路。1失效原因初步预测，2初去现场收集资料，3按零件制造情况和使用条件分析，4 制定失效分析方案，5总结分析失效原因，6再现试验，7 状况的检讨，8.明确责任提出对策，9.完成失效分析报告，10反馈失效分析成果。
0引言
机械产品的失效分析思路是指以失效规律（宏观表象特征和微观表象机理）为理论依据，通过调查、观察、试验获得产品失效信息（失效现象、失效对象、失效环境）分别加以考察，然后有机结合起来作为整体考虑以获取的客观事实为证据，全面应用逻辑推理方法，判断失效事件的失效模式，推断失效原因[1]。
1常见失效分析思路
常用的失效分析思路有不少，如逐个因素排除思路、残骸分析法、失效树分析法等，这些失效分析方法在某些情况下可以实现很好的应用，或者考虑因素全面，或者能缩小分析范围，或者可以提高系统分析可靠性。但这些失效分析方法或多或少都有一些不足的地方，本文对失效分析过程进行全面的总结和归纳，形成一个完整的全面的，能够在失效分析领域通用的失效分析思路。
2总结全面的失效分析思路
全面的分析思路就是要能够想到失效分析的各种情况，将他们整合归纳到一起，作为失效分析的通用思路，给以后的失效分析研究一些借鉴。下面就是整理的一种全面的失效分析思路，如图2.1所示，将逐步进行介绍。
2.1失效原因初步预测
任何一种失效事故的发生，其原因无外乎六种：操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理[2]。在处理一件失效事故之前，成熟的做法是将这几种失效原因考虑全面，并根据初步的了解进行第一次预测，找出最具可能性的一种或几种失效原因。
2.2初去现场收集资料
第一次去事故现场时需要收集以下几方面的资料：
1）设计资料。包括零件名称，功能，设计依据及要求，服役位置及配合情况。
2）材料资料。是指该零件应选用的原材料，材料等级，工艺性能等。
3）制造资料。包括该零件的加工工艺流程，包括锻造、机加工、焊接、热处理、表面处理情况以及装配等方面。
4）工况资料。包括使用经历，使用寿命、操作温度、环境介质，载荷形式，受力情况，加载速度、有无超载现象等。
5）失效现场情况。对现场和失效件进行拍照，作为现场描述。
6）失效件残骸。为了后续的失效分析，应该得到失效件的残骸。如果是一个较复杂的设备的破坏，许多零件都发生不同程度的实效，应采取残骸拼凑分析法，根据裂纹走向、断口隋况以及各零部件相互间碰撞划伤的情况，判断哪一部分是最先破断的零件或部位，以确定分析的先后与主次[3]。
以上这些资料很重要，需要得到图纸，说明书以及其他形式的书面的材料，并且应有现场的负责人员以及零件的设计人员进行确认。作为以后出失效分析结果，总结原因和追究责任时的证据。另外一定要注意的就是保护现场的一切证据，维持原状。
2.3按零件制造情况和使用条件分析
根据从现场取回的资料，在具体制定试验测试之前，从几个方面分析失效产生的原因。（1）操作人员情况的分析 如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性[4]。（2）产品使用状态下的环境。包括载荷大小变化、载荷方向变化、环境温度、湿度、周围尘埃、腐蚀介质等。（3）设备情况分析。包括材料的选择、结构设计、加工制造水平、安装水平、运输保护措施等。（4）管理情况。包括作业程序、维护保养措施、辅助工作、实用工具等。这一部分是与去现场之前的初步预测相承接的，根据所的资料确定出失效分析的外因。
2.4 制定失效分析方案
根据具体情况选择合適的失效分析方法。比如残骸试件试验法，仿真模拟法，或者再现试验，确认试验等方法。 具体的失效分析内容也应该进行制定。下面概括为残骸分析，应力分析，失效模拟三个阶段[50]。
1）残骸分析
根据残骸的轨迹、断口的宏观性质、断口的变形顺序等首先寻找首先破坏件（肇事件），然后对首先破坏件的断口性质、裂纹走向、变形情况、痕迹来源、力学性能、显微组织、工艺过程、热处理状态等进行单项和综合的分析，对失效模式进行判断[5]。
（1）宏观形貌分析。通过对失效件形状，尺寸以及破坏情况的观察，确定失效类型：变形、断裂、表面损伤。其中外观诊断信息主要包括：表面粘附物;颜色变化异常;形状变化异常;碰伤及划痕[55]。要观察端口表面形貌，包括裂纹源，裂纹扩展情况等。根据这些观察分析破坏应力，总结破坏的条件。
宏观分析技术采用的观察方式是肉眼直接观察或者用放大倍数50倍以下的放大镜观察。可借助器材：体视显微镜。磁粉检验或染色渗透检验也属于宏观分析技术。可以确定表面或表面以下1mm以内的表层缺陷。
（2）使用状况分析
根据使用状况的环境介质判断腐蚀产物，根据外力条件（包括异常外力）分析所受载荷状况进行应力计算进而计算破坏应力，综合两方面的情况总结破坏的条件
（3）对材料分析。对原材料进行无损探伤检验，;进行金相检验（观察进行组织或者异常组织）;成分分析，包括常规、局部、表面以及微区分析;X射线分析;力学性能检测。通过这些检测方法，确定材料的组织，成分，强度，硬度等。根据观察异常组织和缺陷以及试验结果计算出的破坏应力总结出破坏的条件。
对材料的分析与检测的技术方法和器材有：金相显微镜观测、扫描电子显微镜观测、透射电子显微镜观测、电子探针观测、俄歇能谱仪分析、X射线分析、布氏硬度计，洛氏硬度计，维氏硬度，冲击试验机。
2） 应力分析
包括应力的来源、性质和大小的估算，特别是对首先破坏件的结构和受力的分析和估算、工况和环境分析，并与断口的定性和定量分析相对照，以及与仍在服役件的调查相结合进行综合分析，对失效模式进行判断[5]。
3）失效模拟
在实验室或现场对主要的失效模式和主要的控制或影响参量进行模拟试验，然后对模拟试验失效的断口与实际断口进行对比分析 [5]。进行失效模拟时对于失效模拟实验中的力学模型的设计、介质环境条件的模拟、参数的加速试验和数据的当量关系以及模拟断口和实际断口（或对腐蚀、磨损失效来说，模拟表面和实际表面）的对比分析技术和失效模拟实验的有效性和可靠性分析等方面的问题要针对不同类型的失效模式进行认真和深入的研究，才能真正发挥失效模拟技术和方法在失效模式诊断中的作用。
2.5总结分析失效原因
根据试验结果，结合试样的原始情况进行深入分析失效的原因。按照失效件失效的直接关键因素处于投付使用过程中的哪个阶段或工序，可以分为设计原因、制造原因、使用原因、环境原因、老化原因等。
（1）设计原因。可分为设计原则、设计思路和方案、结构形状和受力计算、零件选材和尺寸，力学性能等。另外，根据金相组织的观察和化学成分的检测可以分辨出组织的差异引起失效，也可以看出各种夹杂物对材料的影响，对其强度、硬度的影响。
（2）制造原因。对材料的制造加工也会引起材料内部组织性能的变化。机加工，铸造，锻造，热处理，焊接，表面处理等工艺的处理不当都会引起失效，还有零件表面有残余应力的时候需要进行喷完操作，喷完操作的不足也会引起失效。
（3）使用原因。零件工作的状况，所受载荷，与其他零件的配合状况。
（4）环境原因。零件工作的环境，包括，温度，压力，介质，腐蚀状况等。
（5）老化原因。材料在贮存和使用的过程中发生变脆，变软或变硬，变粘等变化，材料失去其性能。
结合实验之前根据现场取回的资料分析的失效原因，总结出全面的失效原因，分析出主要原因，和次要原因。将失效分析的重点放在主要原因上。主要原因可以分为外因和内因。
2.6 再现试验
已经分析出零件所属的状况和引起失效的原因，但是确认结论之前应该进行再现试验进行确认。仿照原始工况和环境载荷进行再现试验，根据试验结果分析本次失效分析的和理性和正确性，如果得到的结果和真实情况有背离，则需要仔细分析事物的环节，重新进行失效分析，直到再现试验能够得到相同或类似的结果。
2.7 状况的检讨
再次到现场，结合初次在现场得到的证据，以及工作人员的证言，试验的一系列数据分析，给出结论，即准确地失效原因。
2.8 明确责任提出对策
因为零件失效会涉及追究责任人，所以明确责任也是失效分析的后续环节，明确应该为失效故障负责的责任人，包括：原材料提供商，材料加工工厂（锻造、铸造、热处理、机加工），设计部门，装配部门，零件应用的部门等等，具体到部门后。还可以根据人员细化，具体的操作者，或者管理人员。
失效分析的目的不仅限于弄清失效原因，更重要的还在于研究提出有效的补救措施和预防措施。从大量同类和相似失效案例分析积累的丰富经验有利于这类措施的研究。补救措施和预防措施可能涉及设备的设计结构、制造技术、材料技术、运行技术、修补技术以及质量管理的改进，乃至涉及技术规范、标准和法规的修订建议。这类研究工作量往往很大，除个别简单情况可由承担失效分析的人员进行外，一般由失效分析人员提出问题或补救方案，由负责单位责成有关专业部门或单位进行专题研究，提出研究报告，作为改进设备的依据[6]。
2.9 完成失效分析报告
失效分析报告的完成通常要经历起草、评审、提出三个阶段。若在一段时间内出现大量的同种产品的失效事件，为便于之后的统计及分析，可拟制固定的失效分析报告格式。
2.10 反馈失效分析成果
反馈系统是失效分析成果的管理系统， 目的在于充分利用失效分析所获得的宝贵技术信息、推动技术革新、促进科学进步和提高产品质量。
失效分析的反馈系统可采取多种组织形式， 例如可与企业的技术开发和情报部门结合， 可与国家的质量管理部门、可靠性研究中心、数据中心及数据交换网相结合。把输入的大量失效分析报告和来自数据交换网的其他信息， 经过分类、 统计分析、数据处理， 制成各种形式的文献， 例如快报、数据手册、指导性文件、年鉴和书刊等， 传递到各个经济部门、生产部门、科研部门、教育部门和司法部门及新闻部门， 把失效造成的损失化为巨大的效益[6]。
3结语
通用的失效分析思路是根据各种失效分析方法综合起来思考，总结出来的，考虑全面，环环相扣的失效分析方法。尽量考虑到各种机械零件失效的情况，综合各种试验方法和分析方法，总结出全面的，丰富的机械零件失效分析思路。这套失效分析思路可以为机械零件的失效分析提供参考。
参考文献：
[1]孙维连，陈再良，王成彪.机械产品失效分析思路及失效案例分析[J].金属热处理学报，2004（01）：69-73+86.
[2]刘新灵. 疲劳断裂失效的计算机知识表达及可靠度[D].北京航空材料研究院，2001.
[3]鄭志宏. 铁路货车转向架关键零部件失效分析与对策研究[D].北京交通大学，2009.
[4]张有凤，孙剑桥.材料失效分析实验教学模式的探索[J].教育教学论坛，2014（01）：238-239. [3] 王国安， 孟显利， 甘建琨. 工程机械结构件失效分析研究及应用[J].装备制造技术. 2010， （5）： 137-139.
[5]钟群鹏，田永江，张峥，武淮生，左尚志，王仁智，陈玉民，张栋.机电装备失效分析预测预防进展——失效学体系的形成和发展（一）[J].理化检验（物理分册），1999（02）：76-81.
[6]张峥.失效分析程序[J].理化检验（物理分册），2005（02）：105-107.

-全文完-