失效分析的任务、方法及其展望

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摘 要：概述了失效与失效分析的概念,以及失效分析的意义、作用和任务;以防止失效为出发点,论述了失效分析的工作思路、程序和辩证方法;展望了失效分析的未来。
关键词：失效分析;失效分析反馈;失效预测预防

美国《金属手册》认为,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时,就可定义为失效:①当它完全不能工作时;②仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时;③受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。
机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。
机械产品及零部件的失效是一个由损伤(裂纹)萌生、扩展(积累)直至破坏的发展过程。不同失效类型其发展过程不同,过程的各个阶段发展速度也不相同。例如疲劳断裂过程一般较长,发展速度较慢,而解理断裂失效过程则很短,速度很快,等等。
机械产品及零部件在整个使用寿命期内失效发生的规律可用“寿命特性曲线”来说明,即用失效率(λ)———单位时间内发生失效的比率来描述失效的发展过程。那么在不进行预防性维修的情况下,失效率(λ)与其工作时间(t)之间具有图1所示的典型失效曲线,俗称“浴盆曲线”。按照“浴盆曲线”的形状,即按照机械产品使用的过程,可将失效分为三类。
  
图1 失效率浴盆曲线
(1)早期失效 是在使用初期,由于设计和制造上的缺陷而诱发的失效。因为使用初期,容易暴露上述缺陷而导致失效,因此失效率往往较高,但随着使用时间的延长,其失效率则很快下降。假若在产品出厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程,则在产品正式使用时,便可使失效率大体保持恒定值。
(2)随机失效 在理想的情况下,产品或装备发生损伤或老化之前,应是无“失效”的。但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理不善,仍可能产生随机失效或称偶然失效。偶然失效率是随机分布的,其很低而且基本上是恒定的。这一时期是产品最佳工作时间。偶然失效率(λ)的倒数即为失效的平均时间。
(3)耗损失效 又称损伤累积失效。经过随机失效期后,产品中的零部件已到了寿命后期,于是失效开始急剧增加,这种失效叫做耗损失效或损伤累积失效。如果在进入耗损失效期之前进行必要的预防维修,它的失效率仍可保持在随机失效率附近,从而延长产品的随机失效期。
1 失效分析的意义与任务
1.1 失效分析及其意义
按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动,统称失效分析。
失效分析预测预防是使失败转化为成功的科学,是产品或装备安全可靠运行的保证,是提高产品质量的重要途径,是科学技术进步的强有力杠杆,是许多重大法律、法规及技术标准制定的依据。它着眼于整个失效的系统工程分析。其意义和作用在于:
(1)失效分析可减少和预防产品或装备同类失效现象重复发生,从而减少经济损失或提高产品质量。
(2)失效是产品质量控制网发生偏差的反映,失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作,是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键技术环节。
(3)失效分析可为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。
(4)失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。
(5)失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。
1.2 失效分析的任务
失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:①失效性质的判断;②失效原因的分析;③采取措施,提高材料或产品的失效抗力。
近代材料科学和工程力学对破断、腐蚀、磨损及其复合型(或混合型)的失效类型和失效机理做了相当深入的研究,积累了大量的统计资料,为失效类型的判断、失效机理及失效原因的解释奠定了基础。发展中的可靠性工程及完整性与适用性评价是预测、预防和控制失效的技术工作和管理工作的基础。可靠性工程是运用系统工程的思想和方法,权衡经济利弊,研究将设备(系统)的失效率降到可接受程度的措施。完整性和适用性评价则是研究结构或构件中原有缺欠和使用中新产生的或扩展缺陷对可靠性的影响,判断结构的完整性及是否适合于继续使用,或是按预测的剩余寿命监控使用,或是降级使用,或是返修或报废的定量评价。
产品或装备失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确,而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析,找到造成产品或装备失效的真正原因,从而建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施,特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化的规律,运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果,提出增强失效抗力的改进措施。既能得到提高产品或装备承载能力和使用寿命,又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力,使材尽其用,这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容。
2 失效分析的思路及程序
2.1 防止失效的思路
图2是防止机械装备零件失效事故的基本思路。可见,失效分析在防止失效中占有很重要的地位。
  
图2 防止失效的基本思路
失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。其基本思路是:
(1)对具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。
(2)运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。
(3)根据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。
(4)采用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。
(5)在进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合:
①设计、材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑;
②结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合;
③宏观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合;
④试验室规律性试验研究与生产试验相结合。
2.2 失效分析的程序
进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。图3是一般失效分析程序。在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节:
(1)收集失效件的背景数据 除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料:
①失效件全部制造工艺历史。从取得有关图纸和技术标准开始,了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况;
②失效件的服役条件及服役历史。除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外,应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。
  
图3 失效分析程序图
(2)失效零部件及全部碎片的外观检查 在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查,用摄相等方法详细做好记录。重点检查内容为:
①观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等;
②观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹;
③观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处;
④观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤;
⑤观察相邻零部件或配偶件的情况;
⑥观察零部件表面有无附着物。
(3)试验室检验 在检验前,对试验项目和顺序、取样部位、取样方法、试样数量等均应全面、周密地考虑。一般采用的分析手段有下列各项:
①化学分析 目的是鉴定零部件用材料是否符合原定要求,有无用错材料或成分出格,必要时可分析微量元素或进行微区成分分析。当表面有腐蚀产物时,也应分析腐蚀产物成分;
②宏观(低倍)分析 主要用于检查原材料或零部件质量,揭示各种宏观缺陷;
③断口分析 对于断裂失效零部件,断口分析是最重要的一环。断口形貌真实地反映了断裂过程中材料抵抗外力的能力,记录了对材料断裂起决定作用的主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌特征的分析,不仅可以得到有关零部件使用条件和失效特点的资料,还可以了解断口附近材料的性质和状况,进而可以判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序,确定断裂的性质,从而找出断裂的主要原因。断口分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察断口表面的纹理和特征,然后用电子显微镜(特别是扫描电镜)对有代表性的部位进行深入观察,以了解断口的微观特征;
④微观组织分析 即用金相显微镜、电子显微镜鉴定失效分析的显微组织,观察非金属夹杂物,分析组织对性能的影响,检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当,从而由材料的内在因素分析导致失效的原因;
⑤力学性能试验 在必要时可以进行某些项目的力学性能试验,包括断裂韧性试验,以校验该零部件的实际性能是否符合技术要求;
⑥其它检测项目 如用X射线衍射仪进行定性(如σ相)或定量(如残余奥氏体含量)分析,对受力复杂的零部件进行实验应力分析等等。
(4)判定失效原因 进行上述环节后,把所得的资料进行综合分析,搞清失效的过程和规律,这是失效分析的重要环节。断裂失效原因的分析过程见图4。一般要从影响零部件失效的结构设计因素、材料因素、工艺因素、装配因素和服役条件因素中进行全面分析,真正找到导致该零部件早期失效的主导因素。重大的失效分析项目,在初步确定失效原因后,还应及时进行重现性试验(模拟试验),以验证初步结论的可靠性。
  
图4 断裂失效原因分析思路
(5)失效分析的反馈 积极的失效分析,其目的不仅在于失效性质和原因的分析判断,更重要的是反馈到生产实践中去。由于失效原因涉及到结构设计、材料设计、加工制造及装配使用、维护保养等各个方面,失效分析结果也要相应地反馈到这些环节。在一般情况下,失效分析反馈可按图5所示的基本思路进行,即从失效分析的结论中获得反馈信息,据以确定提高失效抗力的途径(形成反馈试验方案),并通过试验选择出最佳改进措施。反馈的结果可能是改进设计结构、材料、工艺、现场操作规程,也可能是综合改进。
  
图5 失效分析反馈的思路
对于机械产品或零部件的设计制造单位,应着重于在结构设计、材料选择和制造工艺方面的反馈,特别是结构、材料、工艺上的综合反馈,因为这三者往往很难截然分开。例如在考虑结构因素对零部件强度的影响时,一般要联系到材料因素和工艺因素;同样,在考虑材料强度的影响时,亦必须考虑零部件的结构设计,主要是应力集中对材料强度的影响。在某些情况下,通过改进零部件的形状、尺寸来提高其失效抗力较之改进材料和工艺更为有效。而当设计结构的改进受到限制时,零部件的应力水平、应力分布和应力状态又要求制造零部件的材料和工艺与之相适应(例如几何形状复杂、应力状态较硬的零部件,要求材料有足够的塑韧性;带有尖锐缺口的零部件,要求材料有较低的缺口敏感度等等)。由此可见,在提高零部件的失效抗力时,零部件的结构设计与材料、工艺是相互渗透,相互依赖的。
2.3 失效分析的辨证方法
2.3.1 对具体问题进行具体分析
(1)不同零部件的外在服役条件是不同的。不同的服役条件,有不同的失效类型及特征;
(2)同一材料状态,在不同服役条件下也表现为不同的失效类型及特征;
(3)在不同服役条件下,为了达到失效抗力的优化,有不同的材料强度、塑性、韧性的合理配合,即有不同的材料成分、组织、状态的最佳搭配;
(4)即使在相同的服役条件下,由于零部件结构及装配不同,零部件的受力情况不同,这种最佳搭配也将随之变化。
2.3.2 抓主要矛盾和矛盾的主要方面
(1)某一零部件存在两个以上的失效类型时,应分析和找出主要的失效类型及其主要的失效抗力的表征参量,例如,同时存在断裂及磨损时,前者是“急性病”,后者一般为“慢性病”,因此应首先抓断裂失效的分析及防止。
(2)抓造成主要失效类型的原因综合分析,从造成失效的内因与外因中找出主导因素,即矛盾的主要方面。
2.3.3 注意矛盾的转化
(1)当主要的失效类型解决后,可能原来次要的失效类型上升为影响零部件寿命的主要矛盾,或者出现新的失效类型;
(2)当对某一零部件进行结构或工艺改进后,该零部件容易失效的薄弱环节转移,对此要有预见。
3 失效分析工作展望
3.1 加速失效学体系的形成和发展
在中国机械工程学会失效分析学会的组织下,我国机电装备失效分析预测预防实践和学术方面的重大进展之一,是促进和带动了一门交叉综合分支新兴学科———失效学体系的形成和发展,从而使失效分析完成了从一门技术门类逐渐提高到一个分支学科的飞跃。这是当代科学技术发展的结果,是我国几代失效分析工作者毕生为之奋斗的目标,它将对我国机电装备失效分析预防工作产生深远的影响和作用。
失效学是研究机电装备(系统、设备和元器件)的失效分析诊断(简称失效诊断)、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的分支学科。它的产生是有其近代科学技术进步的深刻背景的。可以认为,近代材料科学和工程、工程力学、断裂力学等学科对断裂、腐蚀、磨损及其复合型(或混合型)的失效模式和失效机理的深入研究,积累了相当丰富的创新观点、见解和物理模型,为失效学的建立奠定了理论基础;现代的检测仪器、仪表科学的迅猛发展,以及检测技术的不断提高,特别是断口、裂纹、痕迹分析技术体系的建立、发展和完善,为失效学的发展奠定了技术基础;数理统计学科的完善、模糊数学的突起、可靠性工程的发展应用和电子计算机的广泛普及,为失效学的完善奠定了方法基础。上述三者的融会贯通,使失效学逐渐建立、发展和完善成为一门相对独立的、综合的新兴学科成为可能。虽然关于失效学的“基本内容”、“内涵和外延”的雏形早在1985年已有人提出,但是就其体系的系统性和完整性,就其内容的深度和广度而言,近年来又有了很大的发展。
失效诊断是失效分析的主要任务之一。失效诊断的理论、技术和方法的核心是思维学、推理法则和方法论。
3.2 失效分析与预测预防一体化
近年来,国内外失效分析逐渐与适用性评价、可靠性评估、概率断裂力学、工况监测故障诊断技术、计算机技术及管理科学相结合,将失效事故的分析、预测、预防形成一个系统工程,产生了巨大的经济效益,如图6所示。失效预防处于核心部位,失效预防方案的实施(包括五个主要环节),必须通过具体工程应用专题,组织有关的设计、制造、运行、管理等部门形成有效的反馈系统,最后才能达到实现研究总目标的目的。失效预防方案的形成要依靠失效分析与失效预测两方面的研究成果。失效模式、失效机理、失效抗力指标的研究、失效案例库(失效数据库)的建立、计算机辅助失效分析系统的开发等项课题的研究,彼此是紧密联系的,最终目的是促进失效分析水平的提高。属于失效预测方面的研究课题主要有适用性评价规范、可靠性评价技术、概率断裂力学评价方法的研究及工况监测与故障诊断技术开发。这些课题都是当前国际上研究的热点。
  
图6 失效分析与预测预防的相关性
3.3 建立健全失效分析网及案例库
单个事故的失效分析往往具有偶然性。通过对同一类装备(或零部件)的大量事故的统计分析才能得出规律性的结论,用以有效地提高设计、制造、运行和决策、管理水平。行之有效的措施是建立失效分析网和失效案例库。
3.3.1 失效分析网
为了掌握全国各油田的钻柱失效情况,进一步提高钻具失效分析的水平、速度和准确性,1988年石油工业部下文筹建钻柱失效分析网,1991年建成,常设机构(秘书处)为石油管材研究所失效分析与预测预防研究室,各油田设立网点,并进一步通过钻井公司、管子工具公司、工程技术大队等网点成员单位,最后延伸至井队,形成了钻柱失效分析与预防的闭环系统。钻具失效分析网的建立属国内外首创,它为失效事故的及时收集、预测预防措施的迅速反馈提供了组织保证。失效分析网建立以来取得了重大成果。从1990-2003年共收集了失效案例3000多起。通过失效分析和反馈使钻具失效事故率大大降低,取得了巨大经济效益。
截止目前,失效分析网仅限于石油工业的上游。借鉴上游失效分析网取得的经验,成立炼油化工设备失效分析网是很有必要的。通过炼化设备失效事故的积累和统计分析,必将大大提高炼化设备的失效分析水平和准确性,减少炼化设备失效事故,取得巨大的经济效益和社会效益。石油行业建立失效分析网的经验值得其他行业借鉴。
3.3.2 失效案例库
通过失效分析网收集的大量失效案例,需要快速、准确、科学地加以处理。因此,必须利用现代科技的最新手段——计算机的快速计算的功能。石油管材研究所使用Turbo2Prolog(T2P)语言建立了钻柱失效案例库和综合分析库,通过综合运用金属学、失效分析及人工智能技术,把国内、外先进的钻柱失效分析知识集中起来,使既能从大量案例进行综合分析,又能从个别案例的计算机辅助中分析中找到失效原因,从而大大提高失效分析的水平,减少了钻井事故,促进了钻柱国产化。