1、北航1失效分析程序和思路北京航空航天大學材料科學與工程學院張崢北航2失效的概念 GB3187-82中定義，產品喪失規定的功能。對可修復產品通常也稱故障。結構、零件或機器的形狀、尺寸或材料性能發生改變，不能滿意地執行預期的功能。機械失效主要包括變形、斷裂、腐蝕、磨損。 突發性、漸進性和間歇性。北航3失敗失敗成功成功知識的探索和創新知識的探索和創新 失效是成功之母人類的進化和發展人類的進化和發展 科技的進步和提高科技的進步和提高 失效分析預測預防失效分析預測預防 技術進步過程中會出現失效北航4失效率使用時間早期失效區隨機失效區耗損失效區機械產品失效率與人得病概率一致北航5失效是不可避免的，失效不一

2、定是壞事 美國國家運輸安全委員會(NTSB) 認為, 人的認識有局限性, 隨著時間的推移, 科技水平的提高, 人們認識事物本質的水平也在不斷提高。人們對事物的認識是不斷深化、逐步逼近事物本來面目的無限循環過程。 失效的認識論上的原因是人的主觀認識與客觀事物的本質相脫離的結果。因為人的認識是相對真理，而客觀事物的本質是絕對真理，人的認識過程是人認識的相對真理不斷逼近客觀事物本質的絕對真理的過程，因此人的認識總是相對的，而客觀事物是絕對的，失效是不可避免的，是人類認識客觀真理過程中永恒的主題。北航6汽車零件失效的幾種形式 一、磨損 零件摩擦表面的金屬在相對運動過程中不斷損失的現象稱為磨損，它包括物

3、理的、化學的、機械的、冶金的綜合作用。對于一個表面的磨損，可能是由于單獨的磨損機理造成的，也可能是由于綜合的磨損機理造成的。磨損的發生將造成零件形狀、尺寸及表面性質的變化，使零件的工作性能逐漸降低。 二、腐蝕 金屬零件的腐蝕是指表面與周圍介質起化學或電化學作用而發生的表面破壞現象。腐蝕損傷總是從金屬表面開始 ，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形發生變化，出現不規則形狀的凹洞、斑點等破壞區域。腐蝕的結果使金屬表面產生新物質，時間長久將導致零件被破壞。北航7汽車零件失效的幾種形式 三、斷裂 斷裂是零件在機械力、熱、腐蝕等單獨或聯合作用下，發生局部開裂或分成幾部分的現象。斷裂是零件破壞的重要原因

4、，它是金屬材料在不同情況下，當局部裂紋發展到零件裂縫尺寸時，剩余截面所承受的外載荷超過其強度極限而導致的完全斷裂。斷裂是零件使用過程中的一種最危險的破壞形式。斷裂往往會造成重大事故，產生嚴重后果。北航8汽車零件失效的幾種形式 四、變形 多年的維修實踐證實，雖然將磨損的零件進行修復，恢復了原來的尺寸、形狀和配合性質，但裝配后仍達不到預期的效果。出現這種情況，通常是由于零件變形，特別是基礎零件變形，使零部件之間的相互位置精度遭到破壞，影響了各組成零件之間的相互關系。在高科技迅速發展的今天，變形問題將越來越突出，它已成為維修質量低、大修周期短的一個重要原因。北航9失效分析的概念判斷失效模式、查找失效

5、的原因和機理，提出防止類似事故再次發生的技術活動和管理活動。北航失效分析的概念失效分析是一個十分復雜的過程，特別是一個大系統的失效，一般工作條件復雜、可疑點較多、難度也大，對失效人員的要求是知識面要廣，并具有一定深度，以及豐富的實踐經驗。是一門綜合性的技術學科，涉及材料學、力學、摩擦學、腐蝕學和機械制造工藝。北航11失效分析的概念氫脆、應力腐蝕、回火脆、過熱過燒、蠕變氫脆、應力腐蝕、回火脆、過熱過燒、蠕變北航12失效分析的作用飛機材料由于缺陷在不同階段所造成損失的例子：草圖階段損失為1生產階段再發現損失為10終檢階段損失為100出廠使用后損失為1000帶入產品改型損失為10000因缺陷失事損失

6、達10萬至100萬北航13失效分析的作用1、失效分析可以減少和預防機械產品同類失效現象重復發生，從而減少經濟損失和提高機械產品質量北航14失效分析的作用2、失效是產品質量控制網發生偏差的反映，失效分析是可靠性工程的重要基礎技術工作，是機械產品全面質量管理中重要組成部分和關鍵技術環節。 北航15失效分析的作用3、失效分析可為裁決事故責任、偵破犯罪案件、開展技術保險業務、修改和制訂產品質量標準方面提供可靠科學技術依據北航16失效分析的作用4、失效分析可為技術開發、技術改造、技術進步提供信息、方向、途徑和方法 5、失效分析可為各 級領導進行宏觀經濟 和技術決策提供重要 的科學的信息來源。北航17現行

7、預計的設計可能產生的失效模式 分析分析對顧客的影響 哪些原因可能造成這個失效模式 每個原因造成這個失效模式的的可能性采取可行的對策 北航18服役周期失效延壽服役斷裂失效機理及重大事故失效分析材料腐蝕與老化失效檢測技術應用研究安全評估技術壽命預測技術修復技術北航19 失效的發生有多方面的原因，其中包括管理、制造和操作等。例如，19771986年間空軍嚴重飛行事故統計結果事故原因操縱制造維護翻修指揮不明比例（%）56.112.84.72.718.15.6北航20北航21如何做好失效分析工作 失效分析程序與思路至關重要 失效分析工作強調思路的正確性和技術手段的巧妙性北航22失效分析的程序1、現場及相

8、關信息的收集2、初步確定肇事件3、制定具體分析思路和工作程序4、初步判斷肇事件的失效模式5、查找失效的原因6、綜合性分析7、總結報告北航23哥倫比亞飛機從哥倫比亞飛機從California上空再入后，其軌跡通過了上空再入后，其軌跡通過了Nevada, New Mexico, 在在Texas北部上空解體，可以看到飛機殘骸和碎片逐漸離去。北部上空解體，可以看到飛機殘骸和碎片逐漸離去。北航24l 共共17,400個電話、個電話、電子郵件、報告等。電子郵件、報告等。l 見了見了2,900個目擊證人個目擊證人l 收到收到700分照片和錄像分照片和錄像以及報告以及報告調查組從調查組從20032月月1日到日

9、到4月月4日日北航25在肯尼迪航天中心，把在得克薩斯州和路易斯安納州歷時四個在肯尼迪航天中心，把在得克薩斯州和路易斯安納州歷時四個月收集來的月收集來的8.4萬片大約萬片大約38飛機飛機的的殘骸進行分類和重新組裝。殘骸進行分類和重新組裝。為了查清原因，為了查清原因，首先由首先由NASA支持組成了調支持組成了調查組，由材料查組，由材料和工藝的工程和工藝的工程師和科學家組師和科學家組成。成。北航26左側下翼碎片左側下翼碎片右側下翼碎片右側下翼碎片從哥倫比亞航天飛機左及右側恢復的碎片量比較。從哥倫比亞航天飛機左及右側恢復的碎片量比較。在輪子前左右相當，在輪子后左右相差很大。在輪子前左右相當，在輪子后左

10、右相差很大。左、右兩翼殘骸數量對比左、右兩翼殘骸數量對比北航27 殘骸清洗和評估，尋找航天飛機爆炸可能殘骸清洗和評估，尋找航天飛機爆炸可能的起源；的起源； 對機翼上各種材料進行冶金、金相和熱分對機翼上各種材料進行冶金、金相和熱分析；析； 計算機模擬空氣動力學及熱力學模擬；計算機模擬空氣動力學及熱力學模擬； 收集在機翼上的傳感器和錄音機和圖像的收集在機翼上的傳感器和錄音機和圖像的結果。結果。 再現的沖擊再現的沖擊RCC面板試驗面板試驗由以上的分析判斷航天飛機爆炸的起源。由以上的分析判斷航天飛機爆炸的起源。北航28 航天飛機在升空約航天飛機在升空約81.7秒時，從外貯秒時，從外貯燃料箱上掉下一塊燃

11、料箱上掉下一塊隔熱泡沫砸到左翼隔熱泡沫砸到左翼碳碳/碳復合材料碳復合材料RCC8、RCC9號面號面板下半部，在此形板下半部，在此形成裂縫，但這種現成裂縫，但這種現象卻沒有實時發現象卻沒有實時發現 固體燃料助推火箭固體燃料助推火箭外貯燃料箱外貯燃料箱航天飛機裂縫是怎么產生的？航天飛機裂縫是怎么產生的？北航29隔熱泡沫掉到左機翼面板上的軌跡隔熱泡沫掉到左機翼面板上的軌跡計算機模擬的軌跡計算機模擬的軌跡錄像記錄的軌跡錄像記錄的軌跡北航失效分析的思路 失效分析全過程的思維路線。是指在思想中以機械失效的規律為理論依據，把通過調查、觀察和實驗獲得的失效信息分別加以考察，然后有機結合起來做為一個統一整體綜合

12、考察，以獲取的客觀事實為證據，全面應用邏輯推理的方法，來判斷失效事件的失效模式，并推斷失效原因。北航思路原因、中間現象、結果 順藤摸瓜 順藤找根 順瓜摸藤 順根摸藤 瓜藤根 根藤瓜 藤根，藤瓜北航失效分析時要關注的零件 當前失效件 潛在失效件 過去失效件北航殘骸分類 肇事失效件泛指直接其他機件失效的機件；特指直接機械失效甚至造成機械事故的機件。 相關失效件泛指對其他機件的失效有直接影響的機件。北航殘骸分類 受害失效件泛指受其他機件失效的危害而失效的機件，而該機件對其他機件的失效卻沒有直接影響。 直接受害失效件特指事故發生前受肇事件的危害而失效的機件。北航殘骸分類 被破壞件特指事故發生時被破壞而

13、失效的機件。 獨立失效件泛指與其他機件失效無關的失效機件。特指事故或機械失效發生之前，已經失效的機件，但它對事故的發生或機械的失效并無影響。北航殘骸分類 首先斷裂件泛指機械中第一個發生斷裂失效的機件。特指事故或機械失效過程中第一個斷裂件。 首先失效件泛指機械中第一個發生失效的機件。北航北航北航北航失效分析的思路1、撒大網逐個因素排除的思路操作人員、機械設備系統、材料、制造工藝、環境和管理2、失效樹（故障樹）3、邏輯推理演繹推理、歸納推理、類比推理等北航41延性斷裂材質工藝引起延性斷裂引起延性斷裂設計材質工藝復查設計復核嚴重超載引起延性斷裂使用受力分析熱加工失效金相組織力學性能檢查冷加工失效尺寸

14、表面質量檢查結構設計失誤設計復核選材失誤材料強度復核北航42失效率失效率使用時間早期失效區隨機失效區耗損失效區浴盆曲線如何應用!北航43 50CrVA是一種典型的彈簧鋼，具有韌性好、疲勞強度高、淬透性好和熱敏感性低等優點。某廠生產的50CrVA汽車用扭桿設計壽命為500萬次，在前期對扭桿樣件進行扭轉疲勞性能測試，結果部分扭桿在循環30萬次左右即發生斷裂。試驗頻率2.5Hz，扭轉角度為7。50CrVA扭桿斷裂原因分析北航44Fatigue source 1Fatigue source 2Inclusion and hole北航45 扭桿扭轉疲勞安全系數0.6071.012。 對汽車扭桿的優化設計

15、中都取n=1.25。 對比說明試驗設計的安全系數偏小，扭桿實際所受剪應力超過了其許用應力值，致使疲勞壽命降低。 扭轉疲勞試驗不能達到預期疲勞壽命最主要的原因是疲勞試驗時所選的扭轉角度過大。北航46斷裂邊齒北航47 北航48 北航49失效分析的思路采用類比推理或邏輯推斷的思路北航Instron 疲勞試驗機疲勞試驗疲勞試驗失效分析預測預防研究所失效分析預測預防研究所Amsler 疲勞試驗機USF 2000 超聲疲勞試驗機疲勞試驗應力/MPa頻率/Hz應力比設計總壽命/次1低周疲勞10005-19,9832高周疲勞71020-1142,0143高頻疲勞710120-135,5004超聲疲勞50020,000-18.48107材料強韌化及損傷機理北航表面噴丸超聲疲勞試樣斷口分析“魚眼”內擴展區瞬斷區ODA區“魚眼”外擴展區源區 斷口低倍形貌 斷口源區形貌 表面噴