第一章机械零件失效的模式及其机理
在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因，丧失规定的功能，无法继续工作的现象称为失效。当机械设备的关键零部件失效时，就意味着设备处于故障状态。机械零件失效的模式，即失效的外在表现形式，主要表现为磨损、变形、断裂等；而失效机理是指失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。
第一节机械零件的磨损
通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。
一、粘着磨损
当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。二、磨料磨损
磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。
三、疲劳磨损
疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。
四、腐蚀磨损
在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。
按腐蚀介质的不同类型，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下腐蚀磨损两大类。五、微动磨损
两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被忽视。微动磨损的最大特点是：在外界变动载荷作用下，产生振幅很小（一般为2－20微米）的相对运动，由此发生摩擦磨损。例如在键联接处、过盈配合处、螺栓联接处、铆钉连接接头处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，联接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致联接件疲劳断裂。
第二节金属零件的断裂
断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，其本身连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象。零件断裂后不仅完全丧失工作能力，而且还可能造成重大的经济损失或伤亡事故。因此，尽管与磨损、变形相比，断裂所占的比例很小，但它仍是一种最危险的失效形式。尤其是现代机械设备日益向着大功率、高转速的趋势发展，断裂失效的几率有所提高。因此，研究断裂成为日益紧迫的课题。断裂的分类方法很多，本书介绍其中的延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂四种。
一、延性断裂
零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为延性断裂。延性断裂的宏观特点是断裂前有明显的塑性变形，常出现缩颈，而从断口形貌微观特征上看，断面有大量微坑（也称韧窝）覆盖。延性断裂实际上是显微空洞形成、长大、连接以致最终导
致断裂的一种破坏方式。
二、脆性断裂
金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，是一种极危险的断裂。
三、疲劳断裂
机械设备中的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计的标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约80％一90％。
四、环境断裂
实际上机械零部件的断裂，除了与材料的特性、应力状态和应变速率有关外，还与周围的环境密切相关。尤其是在腐蚀环境中，材料表面或裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其它过程使材料强度下降，促使材料发生断裂。可以看出，环境断裂是指材料与某种特殊环境相互作用而引起的具有一定环境特征的断裂方式。环境断裂主要有应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变、腐蚀疲劳断裂和冷却断裂等。
第三节金属零件的腐蚀损伤
按金属与介质作用机理，腐蚀可分为两大类：化学腐蚀和电化学腐蚀。
一、金属零件的化学腐蚀
单纯由化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。在这一腐蚀过程中不产生电流，介质是非导电的，如十燥空气、高温气体、有机液体、汽油、润滑油等，其中前二类介质中的腐蚀称为气体腐蚀，其余的称为非电解质溶液中的腐蚀。它们与金属接触时进行化学反应形成表面膜，在不断脱落又不断生成的过程中使零件腐蚀。
大多数金属在室温下的空气中就能自发地氧化，但在表面形成氧化物层之后，如能有效地隔离金属与介质间的物质传递，就成为保护膜。如果氧化物层不能有效阻止氧化反应的进行，那么金属将不断地被氧化。据研究，金属氧化膜要在含氧气的条件下起保护膜作用必须具有以下条件：①膜必须是紧密的，能完整地把金属表面全部覆盖住；②膜在气体介质中是稳定的；③膜和基体金属的结合力强，巨有一定的强度和塑性；④膜具有与基体金属相当的热膨胀系数。在高温空气中，铁和铝都能生成完整的氧化膜，但是铝的氧化膜同时具备了上述四种条件，具有良好保护性能，而铁的氧化膜与铁结合不良，则起不了保护作用。
二、金属零件的电化学腐蚀
电化学腐蚀是金属与电解质物质接触时产生的腐蚀。它与化学腐蚀的不同点在于其腐蚀过程有电流产生。常见的电化学腐蚀形式有：①大气腐蚀，即潮湿空气中的腐蚀；②土壤腐蚀，如地下金属管线的腐蚀；③在电解质溶液中的腐蚀，如酸、碱、盐溶液和水中的腐蚀；
④在熔融盐中的腐蚀，如热处理车间，熔盐加热炉中的盐炉电极和所处理的金属发生的腐蚀。大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀，其涉及面广，造成的损失大，腐蚀过程比化学腐蚀强烈得多。
电化学腐蚀的根本原因是腐蚀电池的形成。需要形成腐蚀电池的三个条件是：①有两个或两个以上的不同电极电位的物体，或在同一物体具有不同电极电位的区域，以形成正、负极；②电极之间需要有导体相连接或电极直接接触；③要有电解液。
三、减轻腐蚀危害的措施
1．正确选材
根据环境介质和使用条件，选择合适的耐腐蚀材料，如含有镍、铬、铝、硅、钛等元素的合金钢；在条件许可的情况下，尽量选用尼龙、塑料、陶瓷等材料。
2．合理设计
在制造机械设备时，即使应用了较优质的材料，但如果在结构的设计上不从金属防护角度加以全面考虑，则常会引起机械应力、热应力以及流体的停滞和聚集、局部过热等现象，从而加速腐蚀过程。因此设计结构时应尽量使整个部位的所有条件均匀一致，做到结构合理、外形简化、表面粗糙度合适。
3．覆盖保护层
覆盖保护层即在金属表面上覆盖一层不同的材料，改变表面结构，使金属与介质隔离开来，以防止腐蚀。常用的覆盖材料有金属或合金、非金属保护层和化学保护层等。
4．电化学保护
对被保护的机械设备通以直流电流进行极化，以消除电位差，使之达到某一电位时，被保护金属的腐蚀可以很小甚至呈无腐蚀状态。这种方法要求介质必须是导电的、连续的。根据被保护设备所接电源极性，可分为：
（1）阴极保护法主要是在被保护金属表面通以阴极直流电流，消除或减少被保护金属表面的腐蚀电池作用。
（2）阳极保护法主要是在被保护金属表面通以阳极直流电流，使其金属表面生成钝化膜，从而增大了腐蚀过程的阻力。
此外，可用一个比零件材料的化学性能更活泼的金属铆接到零件上，形成一个腐蚀电池，零件作为阴性，不会发生腐蚀。这种运用电化学原理的方法常称为牺牲阳极法。如在海洋中，航行的船舶底部常铆接有锌块，以保护铁壳不受海水腐蚀。
5．添加缓蚀剂
在腐蚀性介质中加人少量能减少腐蚀速度的物质，即缓蚀剂，可减轻腐蚀。按化学性质，缓蚀剂有无机和有机二种。如重铬酸钾、硝酸钠、亚硫酸钠等无机类，能在金属表面形成保护，使金属与介质隔开；胺盐、琼脂、动物胶、生物碱等有机化合物，能吸附在金属表面上，使金属溶解和还原反应都受到抑制，从而减轻金属腐蚀。
6．改变环境条件
即将环境中的腐蚀介质去除，以减少其腐蚀作用。如采用通风、除湿、去除二氧化硫气体等。对常用的金属材料来说，把相对湿度控制在临界湿度（50％－70％）以下，可显著减缓大气腐蚀。在酸洗车间和电解车间里，合理设计地面坡度和排水沟，做好地面防腐蚀隔离层，来防止酸液渗透地面而使其凸起，以免损坏贮槽及机械基础。
第四节机械零件的变形
根据外力去除后变形能否恢复，机械零件或构件的变形可分弹性变形和塑性变形。
一、弹性变形。
金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形。
二、塑性变形
机械零件在外载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。思考题
一、选择题：
1．两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损 ( D )
A、粘着磨损
B、磨料磨损
C、疲劳磨损
D、微动磨损。
2．当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为 ( A )
A、粘着磨损
B、磨料磨损
C、疲劳磨损
D、微动磨损。
3．在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥落，这种现象称为 ( D )
A、粘着磨损
B、磨料磨损
C、疲劳磨损
D、腐蚀磨损。
二、简答题：
1．机械零件变形的种类？
答：根据外力去除后变形能否恢复，机械零件或构件的变形可分弹性变形和塑性变形。⑴．弹性变形
金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形。
⑵．塑性变形
机械零件在外载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。
第二章机械设备状态监测与故障诊断技术
第一节概述
机械设备的状态监测与故障诊断是指利用现代科学技术和仪器，根据机械设备（系统、结构）外部信息参数的变化来判断机器内部的工作状态或机械结构的损伤状况，确定故障的性质。状态监测与故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它所包含的内容比较广泛，诸如机械状态量（力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量等）的监测，状态特征参数变化的辨识，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防，机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命估计等等。机械设备状态监测与故障诊断技术是保障设备安全运行的基本措施之。
所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。通常见到的发动机发动不起来、机床运转不平稳、汽车制动不灵等等现象都是机械故障的表现形式。
故障的分类方法有多种，不同的分类方法反映了机械故障的不同侧面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策。
对设备的诊断有不同的技术手段，较为常用的有振动监测与诊断、噪声监测、温度监测与诊断、油液诊断、无损探伤技术等。
第二节振动监测与诊断技术
3．机械振动的一般描述
机械振动是指物体在平衡位置附近作往复的运动，它表示机械系统运动的位移、速度。加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替重复变化的过程。
简谐振动
1.简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移与时间的关系可用正弦曲线表示，表达式为
x（t）＝Dsin （2 t／T＋Φ）
2.实测的机械振动
机械设备的振动通过传感器转换成电信号，在测试仪器的显示屏上可以见到的是一条时间轴上的波形曲线。实际的振动信号是随机信号，无法用确定的时间函数来表达，只能用概
率统计的方法来描述。
一般在时域振动波形上提取和考察以下几个特征值对被测机器的状态作初步评价。
（1）振幅
l）峰值。
2）平均值。
3）有效值。
（2）频率
（3）相位
二、机械振动信号的分析方法
为从信号中提取对诊断有用的信息，我们必须对信号进行分析处理，提取与状态有关的特征参数。如果没有信号的分析处理，就不可能得到正确的诊断结果。因此，信号处理是设备诊断中不可缺少的步骤。
振动信号的分析方法，可按信号处理方式的不同分为幅域分析、时域分析以及频域分析。
不同的分析方法是从不同的角度观察、分析信号，使信号处理的结果更加丰富。
1．数字信号处理
机械故障诊断与监测所需的各种机械状态量（振动、转速、温度、压力等）一般用相应的传感器换为电信号再进行深处理。通常传感器获得的信号为模拟信号，它是随时间连续变化的。随着计算机技术的飞速发展和普及，信号分析中一般都将模拟信号转换为数字信号进行各种计算和处理。
2．振动信号的幅值域分析
3．振动信号的时域分析
4．振动信号的频域分析
三、振动监测参数及其选择
1．测定多数的选定
通常用于描述机械振动响应的三个参数是位移、速度、加速度。从测量的灵敏度和动态范围考虑，高频时的振动强度由加速度值度量，中频时的振动强度由速度值度量，低频时的振动强度由位移值度量。从异常的种类考虑，冲击是主要问题时应测量加速度，振动能量和疲劳是主要问题时应测量速度，振动的幅度和位移是主要问题时应测量位移。对于大多数机器来说，速度是最佳参数，这是许多振动标准采用该参数的原因之一。
2．测量位置的选定
首先应确定是测量轴振动还是轴承振动。一般说来，监测轴比测试轴承座或机壳的振动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上振动的变化比轴承座或机壳要敏感得多。不过，监测轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条件和技术，其中最基本的条件是能够合理地安装传感器。测量转子振动的非接触式涡流传感器安装前一般需要加工设备外壳，保证传感器与轴颈之间没有其它物体。在高速大型旋转设备上，传感器的安装位置常常是在制造时就留下的，目的是对设备实行连续在线监测。而对低速中。小设备身来说，常常不具备这种条件，在此情况下，可以选择在轴承座或机壳上放置传感器进行测试。
其次应确定测点位置。一般情况下，测点位置选择的总原则是：能对设备振动状态作出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。一般测点应选在接触良好、表面光滑、局部刚度较大的部位。值得注意的是，测点一经确定之后，就要经常在同一点进行测量。特别是高频振动，测点对测定位的影响更大。为此，确定测点后必须作出记号，并且每次都要在固定位置测量。如机座、轴承座，一般都选为典型测点。通常对于大型设备，必须在机器的前中后、上下左右等部位上设点进行测量。在监测中还可根据实际需要和经验增加特定测点。
不论是测轴承振动还是测轴振动，都需要从轴向、水平和垂直三个方向测量。考虑到测量效率及经济性，一般应根据机械容易产生的异常情况来确定重点测量方向。
3．振动监测的周期
监测周期的确定应以能及时反映设备状态变化为前提，根据设备的不同种类及其所处的工况确定振动监测周期。通常有以下几类：
（1）定期检测即每隔一定的时间间隔对设备检测一次，间隔的长短与设备类型及状
态有关。高速、大型的关键设备，振动状态变化明显的设备，新安装及维修后的设备都应较频繁检测，直至运转正常。
（2）随机检验对不重要的设备，一般不定期地进行检测。发现设备有异常现象时，可临时对其进行测试和诊断。
（3）长期连续监测对部分大型关键设备应进行在线监测，一旦测定值超过设定的门槛值即进行报警，进而对机器采取相应的保护措施。
四、振动监测标准
衡量机械设备的振动标准，一般可分为绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准三大类。
（1）绝对判断标准绝对判断标准是将被测量值与事先设定的“标准状态槛值”相比较以判定设备运行状态的一类标准。
（2）相对判断标准对于有些设备，由于规格、产量、重要性等因素难以确定绝对判断标准，因此将设备正常运转时所测得的值定为初始值，然后对同一部位进行测定并进行比较，实测值与初始值相比的倍数叫相对标准。
（3）类比判断标准数台同样规格的设备在相同条件下运行时，通过对各设备相同部的测试结果进行比较，可以确定设备的运行状态。类比时所确定的机器正常运行时振动的许值即为类比判断标准。
需要注意的是，绝对判定标准是在规定的检测方法的基础上制定的标准，因此必须注意适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有设备的绝对判定标准不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这样才能获准确、可靠的诊断结果。
五、振动监测及故障诊断的常用仪器设备
振动监测及故障诊断所用的典型仪器设备包括测振传感器、信号调理器、信号记录仪、信号分析与处理设备等。传感器将机械振动量转换为适于电测的电量，经信号调理器进行发大、滤波、阻抗变换后，可用信号记录仪将所测振动信号记录、存储下来，也可直接输人到信号分析与处理设备，对振动信号进行各种分析、处理，取得所要的数据，随着计算机技术的发展，信号分析与处理已逐渐由以计算机为核心的监视、分析系统来完成。
第三节噪声监测与诊断技术
机器运行过程中所产生的振动和噪声是反映机器工作状态的诊断信息的重要来源。只要抓住所研究的机器零部件的生振发声的机理和特征，就可对机器的状态进行诊断。
在机械设备状态监测与故障诊断技术中，噪声监测也是较常用的方法之一。本节将简单介绍噪声测量中的基本概念及方法。
3．噪声测量
声音的主要特征量为声压、声强、频率，质点振速和声功率等，其中声压和声强是两个主要参数，也是测量的主要对象。
噪声测量系统有传声器、放大器和记录器，以及分析装置等。传声器的作用是将声压信号转换为电压信号，测量中常用电容传声器或压电陶瓷传声器。由于传声器的输出阻抗很高，所以需加前置放大器进行阻抗变换。在两放大器之间通常还插人带通滤波器和计机网络，前者能够截取某频带信号，对噪声进行频谱分析；后者则可以获得不同的计权声级。输出放大器的输出信号必须经检波电路和显示装置，以读出总声级，A、B、C、D计权声级或各频带声级。
随着电子计算机技术的迅速发展，在机器噪声监测技术中，广泛采用FFT分析仪进行实时的声源频谱分析。另外还采用了双话筒互谱技术进行声强测量，利用声强的方向性进行故障定位和现场条件下的声功率级的确定。
3．噪声测且用的传声器
传声器包括两部分，一是将声能转换成机械能的声接受器。声接受器具有力学振动系统，如振膜。传声器置于声场中，声膜在声的作用下产生受迫振动。二是将机械能转换成电能的机电转换器。传声器依靠这两部分，可以把声压的输人信号转换成电能输出。
传声器的主要技术指标包括灵敏度（灵敏度级）、频率特性、噪声级及其指向特性等。传声器按机械能转换成电能的方式不同，分为电容式传声器、压电式传声器和驻极体式传声器。另外，传声器按膜片受力方式不同可分为压强式、压差式和压强压差复合式等类型。
2．声级计
声级计是现场噪声测量中最基本的噪声测量仪器，可直接测量出声压级。一般由传声器、输人放大器、计权网络、带通滤波器、输出放大器、检波器和显示装置组成。
3．声强测量
声强测量具有许多优点，用它可判断噪声源的位置，求出噪声发射功率，可以个需要在声室、混响室等特殊声学环境中进行。
声强测量仪由声强探头、分析处理仪器及显示仪器等部分组成。声强探头由两个传声器组成，具有明显的指向特性。
声强测量仪可以在现场条件下进行声学测量和寻找声源，具有较高的使用价值。
4．声功率的测量
声源声功率等于包围声源的面积乘以通过此表面的声强通量。因此，可以用测量声强的方法计算声源声功率。
当声源放在某封闭测量表面以外时，通过此封闭表面的净声强通量等于零。所以，凡是在封闭测量表面以外的声源，对封闭表面内声源的声功率没有影响。
二、噪声源与故障源识别
噪声监测的一项重要内容就是通过噪声测量和分析来确定机器设备故障的部位和程度。首先必须寻找和估计噪声源，进而研究其频率组成和各分量的变化情况，从中提取机器运行状况的信息。
第四节温度监测技术
故障的一个明显特征就是温度的升高，同时温度的异常变化又是引发设备故障的一个重要因素。因此，温度与设备的运行状态密切相关，温度监测在设备故障诊断技术体系中占有重要的地位。
一、温度测量基础
1．温度与温标
（1）温度温度是一个很重要的物理量，它表示物体的冷热程度，也是物体分子运动平均动能大小的标志。
（2）温标用来量度物体温度高低的标准尺度叫作温度标尺，简称温标。各种各样温度计的数值都是由温标决定的，有华氏、摄氏、列氏、理想气体、热力学和国际实用温标等。
其中摄氏温标和热力学温标最常用，二者的关系为:
t＝T -273.15
摄氏温度的数值是以273.15K为起点（t=0℃），而热力学温度以0K为起点。
2．温度测见方式
温度测量方式可分为接触式与非接触式两类。
当把温度计和被测物的表面很好地接触后，经过足够长的时间达到热平衡，则二者的温度必然相等，温度计显示的温度即为被测物表面的温度，这种方式称为接触式测温。
非接触测温是利用物体的热辐射能随温度变化的原理来测定物体的温度。由于感温元件不与被测物体接触，因而不会改变被测物体的温度分布，且辐射热与光速一样快，故热惯性
很小。
二、接触式温度测量
1. 热膨胀式温度计
这种温度计是利用液体或固体热胀冷缩的性质制成的，如水银温度计、双金属温度计。压力表式温度计等。
2．电阻式温度计
电阻式温度计的感温元件是用电阻值随温度变化而改变的金属导体或半导体材料制成。当温度变化时，感温元件的电阻随温度而变化，通过测量回路的转换，在显示器上显示出温度值。
3．热电偶温度计
热电偶测温的基本原理由两种不同的导体（或半导体）组成的闭合回路中，如果使两个接点处于不同的温度，回路就会出现电动势，称为热电势，这一现象即是热电效应，组成的器件为热电偶。若使热电偶的一个接点温度不变，即产生的热电势只和另一个接点的温度有关，因此，测量热电势的大小，就可知道该接点的温度值了。组成热电偶的两种导体，称为热电极。
三、非接触式测温
在太阳光谱中，位于红光光谱之外的区域里存在着一种看不见的、具有强烈热效应的辐射波，称为红外线。自然界中的任何物体，只要它本身的温度高于热力学零度，就会产生热辐射。物体温度不同，辐射的波长组成成分不同，辐射能的大小也不同，该能量中包含可见光与不可见的红外线两部分。
第五节油液监测与诊断技术
油液监测与诊断技术是近十几年来迅速发展起来的用于机械设备状态监测与故障诊断新技术，尤其在监测与诊断发动机。齿轮传动、轴承系统、液压系统等方面，该技术取得了显著的成果，获得了广泛应用。油液监测与诊断技术通常包括理化性能分析技术、铁谱分析技术、光谱分析技术、颗粒计数技术等，它们实现对油样中所含磨粒的数量、大小、形态、成分等及其变化，油品的劣化变质程度等的分析。
第六节无损检测技术
一、无损检测技术概述
无损检测技术，是指在不破坏或不改变被检物体的前提下，利用物质因存在缺陷而使其某一物理性能发生变化的特点，完成对该物体的检测与评价的技术手段的总称。它由无损检测和无损评价两个不可分割的部分组成。
一个设备在制造过程中，可能产生各种各样的缺陷，如裂纹、疏松、气泡、夹渣、未焊透和脱粘等；在运行过程中，由于应力、疲劳、腐蚀等因素的影响，各类缺陷又会不断产生和扩展。现代无损检测与评价技术，不但要检测出缺陷的存在，而且要对其作出定性、定量评定，其中包括对缺陷的定量测量（形状、大小、位置、取向。内含物等），进而对有缺陷的设备分析其缺陷的危害程度，以便在保障安全运行的条件下，作出带伤设备可否继续服役的选择，避免由于设备不必要的检修和更换所造成的浪费。
现代工业和科学技术的飞速发展，为无损检测技术的发展提供了更加完善的理论和新的物质基础，使其在机械、冶金、航空航天、原子能、国防、交通、电力、石油化工等多种工业领域中得到了广泛的应用。无损检测技术包括超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等常规技术以及声发射检测、激光全息检测、微波检测等新技术。X射线、超声、涡流、磁粉、渗透等常规的几种测试方法较成熟。
二、超声波检测
超声波检测就是利用电振荡在发射探头中激发高频超声波，人射到被检物内部后，若遇
到缺陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析反摄波或透射波的时延与衰减情况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小及其性质等方面的信息，并由相应的标准或规范判定缺陷的危害程度的方法。
（一）超声波基础
1．超声波及其特性
超声波是一种质点振动频率高于20kHz的机械波。无损检测用的超声波频率范围为0~25MHz，其中最常用的频段为l~5MHz。
超声波有如下特性：
(1). 指向性好超声波是一种频率很高、波长很短的机械波，在无损检测中使用的超声波波长为毫米数量级。它像光波一样具有很好的指向性，可以定向发射。
（2）穿透能力强超声波的能量较高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距远，穿透能力强。
2．超声波的分类
根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不同，可将超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。
（二）超声波检测设备
1. 超声波探头的功能就是将电能转换为超声能（发射探头）和将超声能转换为电能（接收探头），其性能的好坏对超声波检测的成功与否起关键性作用。超声波检测用的探头多为压电型，其作用原理为压电晶体在高频电振荡的激励下产生高频机械振动，并发射超声波（发射探头）；或在超声波的作用下产生机械变形，并因此产生电荷（接收探头）。
2．超声波检测仪
超声波检测仪的作用是产生电振荡并加于探头，使之发射超声波，同时，还将探头接收的电信号进行滤波、检波和放大等，并以一定的方式将检测结果显示出来，人们依此获得被检工件内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小和性质等方面的信息。
1）按超声波的连续性，可将超声波检测仪分为脉冲波检测仪、连续波检测仪、调频波检测仪器等。
2）按缺陷显示的方式分。按超声波检测仪显示缺陷的方式不同，可将其分为A型、B 型和C型等三种类型。
三、射线检测
1．射线检测的基本原理
射线检测是以X射线、γ射线和中子射线等易于穿透物质的特性为基础的。其基本工作原理为：射线在穿过物质的过程中，由于受到物质的散射和吸收作用而使其强度衰减，强度衰减的程度取决于物体材料的性质、射线种类及其穿透距离。当把强度均匀的射线照射事体上一个侧面，在物体的另一侧使透过的射线在照相底片上感光、显影后，就可得到与材料内部结构或缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过观察射线底片，就可检测物体表面或内部的缺陷，包括缺陷的种类、大小和分布情况并作出评价。
射线检测缺陷的形状非常直观，对缺陷的尺寸、性质等情况判断比较容易。采用计算计辅助断层扫描法还可以了解断面的情况，可以进行自动化分析。射线检测对所测试检查物体既不破坏也不污染，但射线检测成本较高，且对人体有害，在检测过程中必须注意要妥善护。
工业上常用的是X射线、γ射线检测。
2．X射线、γ射线及其检测装置
X射线与γ射线都是电磁波。它们具有波动性、粒子性，都可产生反射、折射、干涉、光电效应、康普顿效应和电子效应等。它们又是不可见光，不带电荷，不受电场和磁场
影响；能透过可见光不能透过的物质，使物质起光化学反应；能使照相胶片感光；能使荧光物质产生荧光。γ射线是由放射性同位素的原子核在衰变过程中产生的。它是一种波长很短的电磁波，它的辐射是从原子核里释放出来的。γ射线是由原子核从激发能级跃迁到较低能级的产物，因此它的发生不同于原子核外电壳层放出的X射线。γ射线与X射线虽然产生的机理不同，但同属电磁波，性质很相似，只不过γ射线的波长比一般X射线更短。
X射线检测装置通常分为两大类：一类为移动式X射线机，另一类为携带式X射线机。移动式X射线机通常体积和重量都较大，适合于实验室或车间使用，它们采用的电压、电流也较大，可以透照较厚的物体和工件。便携式X射线机体积小，重量轻，适用于流动性检验或大型设备的现场探伤。γ射线检测装置的结构比X射线检测装置要简单得多，价格便宜、使用方便。γ射线检测、探伤一般多采用照相方法进行工作。γ射线检测装置使用灵活方便，不易发生故障，并且能按照需要的情况发射一定宽度的锥形射线束或进行圆周曝光探测管形工件的缺陷。但必须很好地做到预防γ射线对人体的危害。
3．射线检测的操作过程
射线检测包括X射线、γ射线和中子射线三种。对射线穿过物质后的强度检测方法有：直接照相法、间接照相法和透视法等多种。其中，对微小缺陷的检测以X射线和γ射线的直接照相法最为理想。其典型操作的简单过程如下：
一般把被检物安放在离X射线装置或γ射线装置0。5－1m处，将被检物按射线穿透厚度为最小的方向放置，把胶片盒紧贴在被检物的背后，让X射线或γ射线照射一定时间（几分钟至几十分钟不等）进行充分曝光。把曝光后的胶片在暗室中进行显影、定影、水洗和干燥。再将于燥的底片放在显示屏的观察灯上观察，根据底片的黑度和图像来判断缺陷的种类、大小和数量，随后按通行的要求和标准对缺陷进行等级分类。
4．射线检测（照相法）的特点和适用范围
射线检测是一种常用于检测物体内部缺陷的无损检测方法。它几乎适用于所有的材料，检测结果（照相底片）可永久保存。但从检测结果很难辨别缺陷的深度，要求在被检试件的两面都能操作，对厚的试件曝光时间需要很长。
对厚的被检测物来说，可使用硬X射线或γ射线；对薄的被检物则使用软X射线。射线穿透物质的最大厚度为：钢铁约450mm、铜约350mm、铝约1200mm。
对于气孔、夹渣和铸造孔洞等缺陷，在X射线透射方向有较明显的厚度差别，即使很小的缺陷也较容易检查出来。而对于如裂纹等虽有一定的投影面积但厚度很薄的一类缺陷，只有用与裂纹方向平行的X射线照射时，才能够检查出来，而用与裂纹面几乎垂直的射线照射时就很难查出。因此，有时要改变照射方向来进行照相。观察一张透射底片能够直观地知道缺陷的两维形状大小及分布，并能估计缺陷的种类，但无法知道缺陷厚度以及离表面的位置等信息。要了解这些信息，就必须用不同照射方向的两张或更多张底片。在进行检测时，应注意到射线辐射对人体健康（包括遗传因素）的损害作用。X射线在切断电源后就不再发生，而同位素射线（如γ射线）是源源不断地发生的。此外，还应特别注意，射线不只是笔直地向前辐射，它还可通过被检物、周围的墙壁、地板以及天花板等障碍物进行反射与透射传播。其次还应注意，X射线装置是在几万乃至几十万伏高电压下工作的，通常虽有充分的绝缘，但也必须注意防止意外的高压危险。
四、涡流检测
1．涡流检测的基本原理
涡流检测是以电磁感应原理为基础的。当把一个通有交流电的线圈靠近金属导体时，由于电磁耦合作用，就会在导体中产生感应电流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，通常就称它为电涡流。此电涡流又反过来作用于原线圈而使其电磁特性（等效阻抗、等效电感和品质因素）发生改变，其变化情况与导体的种类、形状以及材质均匀度等因素有关，同时还
与线圈与导体之间的相对距离和线圈本身的特性有关。当固定后两者不变时，则线圈电磁特性的变化就反应了导体性质的变化。这样，通过检测线圈的电磁特性的变化，即可获得关于被检试件的材质均匀件以及缺陷的种类、形状和大小等方面的信息，这就是电涡流检测的简单原理。
2．涡流检测的特点与适用范围
电涡流检测具有如下的特征：①检测结果可以直接以电信号输出，故可用于自动化检测；
②由于实行非接触式检测，所以检测速度很快；③适用范围较广，除可用于检测缺陷外，还可用于检测材质的变化、形状与尺寸的变化等；④对形状复杂的试件检测有困难；；对表面下较深部位的缺陷检测困难；⑤除检测项目外，试件材料的其它因素一般也会引起输出的变化，成为干扰信号；⑦难以直接从检测所得的显示信号来判别缺陷的种类。
由以上涡流检测的原理及其特性可知，涡流检测适用于由钢铁、有色金属以及石墨等导电材料所制成的试件，而不适用于玻璃、石头和合成树脂等非导电材料的检测。
从检测对象来说，电涡流方法适用于如下项目的检测：
（1）缺陷检测检测试件表面或近表面的内部缺陷。
（2）材质检测检测金属的种类、成分、热处理状态等变化。
（3）尺寸检测检测试件的尺寸、涂膜厚度、腐蚀状况和变形等。
（4）形状检测检测试件形状的变化情况。
3．电涡流检测的应用
电涡流检测可用于位移、振幅、厚度、转速等测量及探伤，广泛应用于各个领域。五、磁粉探伤
1．磁粉检测的基本原理
把一根中间有横向裂纹的强磁性材料（钢铁等）试件进行磁化处理后，可以认为磁化的材料是许多小磁铁的集合体。在没有缺陷的连续部分，由于小磁铁的N、S磁极互相抵消，而不呈现出磁极，而在裂纹等缺陷处，由于磁性的不连续则呈现磁极。在缺陷附近的磁力线绕过空间出现在外面，此即缺陷漏磁。缺陷附近所产生的称作为缺陷的漏磁场的磁场，其强度取决于缺陷的尺寸、位置及试件的磁化强度等。这样，当把磁粉散落在试件上时，在裂纹处就会吸附磁粉。磁粉检测就是利用磁化后的试件材料在缺陷处会吸附磁粉，以此来显示缺陷存在的一种检测方法。
磁粉检测方法可以用于探测铁磁性材料及构件的表面和近表面缺陷。对存在于浅表面的裂纹、折叠、夹层、夹渣等缺陷极为敏感。一般情况下，采用交流电磁化适用于检查Zmm以内的浅表面缺陷，采用直流电磁化适用于检查6mm以内的表面缺陷。随着深度的变化，探测缺陷的能力迅速下降。
2．磁粉检测的基本步骤
（1）预处理有机溶剂清洗试件表面的油脂、涂料以及铁锈等。用干磁粉时还要使试件的表面干燥。
（2）磁化磁化是磁粉检测的关键步骤。首先应根据缺陷特性与试件形状选定磁化方法，其次还应根据磁化方法、磁粉、试件的材质、形状、尺寸等确定磁化电流值，使得试件的表面有效磁场的磁通密度达到试什材料饱和磁通密度的80％－90％。
（3）施加磁粉干磁粉是在空气中分散地撒上，湿磁粉是把磁粉调匀在水或无色透明的煤油中作为磁悬液来使用的。把粉或磁悬液撒在磁化的试件上叫做施加磁粉。它分连续法和剩磁法两种。连续法是在试件加有磁场的状态下施加磁粉的，巨磁场一直持续到施加完成为止。而剩磁法则是在磁化过后施加磁粉的。
（4）观察与记录磁粉痕迹的观察是在施加磁粉后进行的。用非荧光磁粉时，在光线明亮的地方进行观察；而用荧光磁粉时，则在暗室用紫外线灯进行观察。
应该注意，在材质改变的界面处和截面大小突然变化的部位，即使没有缺陷，有时也会出现磁粉痕迹，此即假痕迹。要确认磁粉痕迹是不是缺陷，需用其它检测方法重新进行检测才能确定。
（5）后处理检测完成后，按需要进行退磁、除去磁粉和防锈处理。退磁时，一边使磁场反向，一边降低磁场强度。退磁有直流法和交流法两种。
3．磁粉检测的特点和适用范围
磁粉检测适用于检测钢铁材料的裂纹等表面缺陷，其特征如下：①特别适宜对钢铁等强磁性材料的表面缺陷检测；②表面没有开口但深度很浅的裂纹也可以探测；③对于奥氏体不锈钢那样的非磁性材料是不适用的；④能检测出缺陷的位置和表面的长度，但不能检测出缺陷的深度。此外，对内部缺陷的检测还有闲难。
六、渗透检测
1．渗透检测的基本原理
渗透检测是一种最简单的无损检测方法，用于检测表面开口缺陷，几乎适用于所有材质的试件和各种形状的表面。它所依据的基本原理是应用液体表面张力对固体产生的浸润作用，以及液体的相互乳化作用等特性来实现检测的。检测时将渗透剂涂于被检试件的表面，当表面有开口缺陷时，渗透剂将渗透到缺陷中。去除表面多余的部分，再涂以显像剂，在适当的光线下即可显示放大厂的缺陷图像的痕迹，从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷。
2．渗透检测的操作步骤
（1）预处理清除试件表面的油脂。涂料、铁锈及污物等。
（2）渗透将试件浸渍于渗透液中或者用喷雾器或刷子等工具把渗透液涂在试件表面，让渗透剂有足够的时间充分地渗人到缺陷中。渗透时间取决于渗透剂、试件材质、缺陷种类及大小等。
（3）乳化处理为了使渗透液容易被水清洗，对某些渗透液有时还要进行乳化处理，喷上乳化剂。
（4）清洗用水或清洗剂去除附着在试件表面的残余渗透剂。
（5）显像将显像剂涂敷在试件表面b，残留在缺陷中的渗透剂就会被显像剂吸出，到表面上形成放大的带色显示痕迹。此过程中，显像剂吸出全部渗透剂并使其充分扩散的时间称为显像时间。
（6）观察荧光渗透检测的观察必须在暗室内用紫外线灯照射。而着色渗透检测法在一定亮度的可见光下即可以观察出红色的缺陷痕迹。
（7）后处理检测结束后，清除表面残留的显像剂，以防腐蚀被检测表面。
3．渗透检测方法
根据不同的渗透液和不同的清洗方式，渗透检测法可以分为几种类型。
l）根据渗透液的不同色调，渗透检测可分为荧光法和着色法两种。其中，荧光渗透检测法是采用含荧光材料的渗透液进行检测，使缺陷显示痕迹发出黄绿色的光线。荧光渗透检测的观察必须在暗室里采用紫外线灯进行。而着色渗透检测法是采用含红色染料的渗透液进行检测的，它在自然光或在白光下可以观察出红色的缺陷痕迹。与荧光渗透法相比，着色渗透检测法受场所、电镀和检测装置等条件的限制较小。
2）根据清洗渗透液形式的不同，可以分为水洗型渗透检测法、后乳化型渗透检测法和溶剂去除型渗透检测法三种。水洗型渗透液可以直接用水清洗干净；而后乳化型渗透液要把乳化剂加到试件表面的渗透液上以后，再用水洗净；溶剂去除型渗透检测法所用的渗透液要用有机溶剂进行清洗去除。
渗透检测法的显像法有湿式显像、快干式显像、干式显像和无显像刘式显像四种。
l）湿式显像法是把白色微细粉末状的显像材料调匀在水中作为湿式显像剂的一种方法把试件浸渍在显像剂中或者用喷雾器把显像剂喷在试件上，当显像剂干燥时，在试件表面就形成白色显像薄膜，由白色显像薄膜吸出缺陷中的渗透液而形成显示痕迹。这种方法适用于大批量试件的检测，其中水洗型荧光渗透检测法用得较多。
2）快干式显像法是把白色微细粉末状的显像材料调匀在高挥发性的有机溶剂中。该发法的操作极为简单，在溶剂去除型荧光或着色渗透检测法中用得较多。
3）干式显像法是直接使用干燥的白色微细粉末状显像材料作为显像剂的一种方法。把试件放在显像剂中或者把试件放在显像装置中，再用喷粉的办法来涂敷显像剂，使显像剂附着在试件表面，从缺陷中吸出渗透液而在表面形成固定的显示痕迹。用这种方法，缺陷部位所附着的显像剂粒子全都附在渗透剂上，而没有渗透剂的部分就不附着显像剂。因此，痕迹不会随着时间的推移而发生扩散，从而能显示出鲜明的图像，因此可用于要求获得与缺陷大小相接近的痕迹的检测。
4）无显像剂式显像法是在清洗处理之后，不使用显像剂来形成缺陷显示痕迹的一种方法。它在荧光辉度高的水洗型荧光渗透检测法中，或者在把试件加交变应力的同时检测缺陷显示痕迹等方法中使用。这种方法与干式显像法相同，其缺陷显示痕迹也不会扩散。本方法不能用于着色渗透检测法。
4．渗透检测的特点和适用范围
1）渗透法的最小检出尺寸即灵敏度取决于检测剂的性能、检测方法、检测操作和试件表面粗糙度等因素，一般约为深20μm、宽1μm；此外，在荧光渗透检测时；若使用荧光辉度高的渗透液，在检测的同时在试件上加交变应力，可进一步提高检测的灵敏度。
2）检测效中高，对于形状复杂的试件或在试件厂同时存在有多个缺陷时，只需一次检测操作即可完成。
3）适用范围广，检测一般不受试件材料的种类及其外形轮廓的限制。
4）设备简单，便于携带，操作简便。但是检测结果受试件表面粗糙度的影响，同时还受检测操作人员技术水平的影响；只能检测表面开口缺陷，对多孔性材料的检测仍很闲难，无缺陷深度显示；不宜实现自动化检测。
七、声发射检测技术
当物体受到外力或内应力作用时，物体缺陷处或结构异常部位因应力集中而产生塑性变形，其储存能量一部分以弹性应力波的形式释放出来，这种现象称为声发射。利用声发射现象的特点，用电子学的方法接受发射出来的应力波，进而根据卢发射信号特征，进行处理和分析以评价缺陷发生、发展的规律，以寻找和推断产发射源的缺陷及危险性的技术称为声发射技术，也叫做声发射检测。
材料在受载的情况下，缺陷周围区域的应力再分布以范性流变、微观龟裂、裂纹的发生和扩展等形式进行，实际上是一种应变能的释放过程。而一部分应变能以应力波的形式发射出来。所以材料在滑动、孪晶、位错、相变、开裂、断裂等过程中都有卢发射现象发生。因此，接收和研究声发射现象，就可以利用声发射的信号对材料缺陷进行检测、预报和判断，并对材料或物件进行评价。
近年来，声发射技术已经在压力容器的安全性检测与评价、焊接过程的监控和焊缝焊后的完整性检测、核反应堆的安全性监测以及断裂力学研究等诸多领域取得了重要进展。部分研究已进人工业实用化阶段，成为无损检测技术体系中的一个极其重要的组成部分。
思考题
一、填空题
1．采样是指将所得到的连续信号离散为数字信号，其过程包括（取样）和（量化）两个步骤。
2. 温度测量方式可分（接触式）与（非接触式）两类。
3. 滚轴承的典型结构由内圈、外圈、（滚动体）和保持架四部分组成。
4. 齿轮的异常及常见失效形式有三方面：制造误差、（装配误差）和齿轮的损伤。
5. 声音的主要特征量为声压、声强、频率、质点振速和声功率等，其中（声压）和（声
强）是两个主要参数，也是测量的主要参数。
6. 热电偶可把温度直接转换成（电量），因此对于温度的测量、调节、控制，以及对
温度信号的放大、变换都很方便。
7. 无损检测技术，是指在不破坏或不改变被检测物体的前提下，利用物质因存在缺陷
而使其某一（物理性能）发生变化的特点，完成对该物体的检测与评价的技术手段的总称。
8. 传声器包括两部分，一是将声能转换成机械能的（声接受器）。声接受器具有力学振动系统，如振膜。传声器置于声场中，声膜在声的作用下产生受迫振动。二是将机械能转换成电能的（机电转换器）。传声器依靠这两部分，可以把声压的输人信号转换成电能输出。
二、选择题
1. 下列红外测温仪中，适于测量200°C以下温度的测温仪是(B )测温仪。
A. 简易辐射
B. 辐射
C. 比色
D. 单色
2. 下列叙述中，正确的说法是声发射、涡流探测法都(A )。
A. 可以实现非接触自动探伤
B. 是一种动态探测法
C. 能对各种材料零件的裂纹进行探测
D. 能很容易地探测复杂形状零件的裂纹
3. 当介质表面受到交变应力作用是时，产生沿介质表面传播的波，称为（C）
A．纵波
B．横波
C．表面波
D．板波
4. （A）是介质质点的振动方向与波的传播方向平行的波。
A．纵波
B．横波
C．表面波
D．板波
5. 介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称（B）
A．纵波
B．横波
C．表面波
D．板波
6. 在厚度与波长相当的弹性薄板中传播的超声波称为（D）
A．纵波
B．横波
C．表面波
D．板波
三、判断题
1. 在厚度与波长相当的弹性薄板中传播的超声波称为板波。（√）
2. 当介质表面受到交变应力作用是时，产生沿介质表面传播的波，称为纵波。（X）
3. 介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称横波。（√）
4. 接触测温是利用物体的热辐射能随温度变化的原理来测定物体的温度。（X）
5. 红外热成像系统是利用红外探测器系统，在不接触的情况下接收物体表面的红外辐射信号，该信号转变为电信号后，再经电子系统处理传至显示屏上，得到与景物表面热分布相应的“实时热图像”。（X）
四．简述题
1．简述渗透检测的操作步骤。
答：（1）预处理清除试件表面的油脂。涂料、铁锈及污物等。
（2）渗透将试件浸渍于渗透液中或者用喷雾器或刷子等工具把渗透液涂在试件表面，让渗透剂有足够的时间充分地渗人到缺陷中。渗透时间取决于渗透剂、试件材质、缺陷种类及大小等。
（3）乳化处理为了使渗透液容易被水清洗，对某些渗透液有时还要进行乳化处理，喷上乳化剂。
（4）清洗用水或清洗剂去除附着在试件表面的残余渗透剂。
（5）显像将显像剂涂敷在试件表面b，残留在缺陷中的渗透剂就会被显像剂吸出，到表面上形成放大的带色显示痕迹。此过程中，显像剂吸出全部渗透剂并使其充分扩散的时间称为显像时间。
（6）观察荧光渗透检测的观察必须在暗室内用紫外线灯照射。而着色渗透检测法在一定亮度的可见光下即可以观察出红色的缺陷痕迹。
（7）后处理检测结束后，清除表面残留的显像剂，以防腐蚀被检测表面。
2．简述涡流检测的基本原理
答：涡流检测是以电磁感应原理为基础的。当把一个通有交流电的线圈靠近金属导体时，由于电磁耦合作用，就会在导体中产生感应电流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，通常就称它为电涡流。此电涡流又反过来作用于原线圈而使其电磁特性（等效阻抗、等效电感和品质因素）发生改变，其变化情况与导体的种类、形状以及材质均匀度等因素有关，同时还与线圈与导体之间的相对距离和线圈本身的特性有关。当固定后两者不变时，则线圈电磁特性的变化就反应了导体性质的变化。这样，通过检测线圈的电磁特性的变化，即可获得关于被检试件的材质均匀件以及缺陷的种类、形状和大小等方面的信息，这就是电涡流检测的简单原理。
3．简述涡流检测的特点与适用范围
答：电涡流检测具有如下的特征：①检测结果可以直接以电信号输出，故可用于自动化检测；②由于实行非接触式检测，所以检测速度很快；③适用范围较广，除可用于检测缺陷外，还可用于检测材质的变化、形状与尺寸的变化等；④对形状复杂的试件检测有困难；；对表面下较深部位的缺陷检测困难；⑤除检测项目外，试件材料的其它因素一般也会引起输出的变化，成为干扰信号；⑦难以直接从检测所得的显示信号来判别缺陷的种类。
由以上涡流检测的原理及其特性可知，涡流检测适用于由钢铁、有色金属以及石墨等导电材料所制成的试件，而不适用于玻璃、石头和合成树脂等非导电材料的检测。
第三章机械零件修复技术
失效的机械零件大部分都可以修复，尤其是磨损失效的零件，可以采用堆焊、热喷涂和喷焊、电刷镀等表面技术，不仅使修复后的机械零件满足使用的技术要求，而且还能提高零
件的某些性能，如耐磨性、耐腐蚀性等。对于机械设备的基础件，如机身、机架等大型铸件产生裂纹，可针对性地采用金属扣合技术进行修复。本章将就以上修复技术作一介绍。
第一节焊接修复技术
焊接技术用于修复零件使其恢复尺寸与形状或修复裂纹与断裂时称为补焊；用于恢复零件尺寸、形状，并赋予零件表面以某些特殊性能的熔敷金属时称为堆焊。补焊和堆焊在机械零件的修复技术方法中占有重要的地位，其突出的优点是：结合强度高，可修复磨损失效零件；可以焊补裂纹与断裂、局部损伤；可以用于校正形状。由于焊修质量高、效率高、设备成本低、便于现场抢修等特点，应用十分广泛。
但由于补焊和堆焊时对零件的局部不均匀的加热使零件产生内应力和变形，所以一般不宜于修复较高精度、细长和薄壳类零件。焊接时产生的气孔、夹渣等对焊缝强度和密封性都有影响，焊接时产生裂纹也是焊接中需注意的重点。此外，焊接还要受到零件焊接性的影响。所以，焊接的应用也受到一定的影响。随着焊接技术的发展和采取相应的工艺措施，它的缺点大部分可以克服。
一、补焊
1．钢制零件的补焊
机械零件补焊比钢结构焊接困难。由于机械零件多为承载件，除对其材料有物理性能和化学成分要求外，还有尺寸精度和形位精度要求。在焊修时，还要考虑材料的焊接性以及焊后的加工性要求。加之零件损伤多是局部损伤，焊修时要保持未损伤部位的精度和物理、化学性能，焊修后的部位要保持设计规定的精度和材料性能。由于电弧焊能量集中、效率高，能减少对母材组织的影响和零件的热变形，涂药焊条品种多，容易使焊缝性能与母材接近，所以是目前应用最广泛的方法。
为了保证焊修质量，焊接工艺措施要合理。
（1）低碳钢零件低碳钢零件，由于可焊性良好，补焊时一般不需要采取特殊的工艺措施。
（2）中、高碳钢零件中、高碳钢零件，由于钢中含碳量的增高，焊接接头处容易产生焊缝内的热裂纹、热影响区内由于冷却速度快而产生低塑性淬硬组织引起的冷裂纹，焊缝根部主要由于氢的渗人而引起的氢致裂纹等。
为了防止中、高碳钢零件补焊过程中产生的裂纹，可采取以下措施：
l）焊前预热。焊件的预热温度根据含碳量或碳当量、零件尺寸及结构来确定。中碳钢一般纳为150－250℃，高碳钢为250－350℃。某些在常温下保持奥氏体组织的钢（例如高锰钢）无淬硬情况可不预热。
2）选用多层焊。多层焊的优点是前层焊缝受后层焊缝热循环作用使晶粒细化，改善性能。
3）焊后热处理。焊后热处理的作用在于消除焊接部位的残余应力，改善焊接接头的韧性和塑性，同时加强扩散氢的逸出，减少延迟裂纹的产生。一般中、高碳钢焊后先采取缓冷措施，再进行高温回火，推荐温度为600－650℃。
4）尽可能选用低氢焊条以增强焊缝的抗裂性能。
5）加强焊接区的清理工作，彻底清除油、水、锈以及可能进人焊缝的任何氢的来源6）设法减少母材溶人焊缝的比例，例如焊接坡口的制备，应保证便于施焊但要尽量少填充金属。
2．铸铁件的补焊
铸铁零件在机械设备零件中所占的比例较大，而且多数铸铁零件是重要的基础件。由于它们一般体积大、结构复杂、制造周期长、有较高精度要求，而且不作为备件储备，所以一旦损坏很难更换，只有通过修复才能使用。焊接是铸铁件修复的主要方法之一。
铸铁件补焊的特点铸铁含碳量高、组织不均匀、强度低、脆性大，是种对焊接温度较为敏感而且焊接性差的材料。其补焊的特点在于：
1）焊缝处易产生白口组织（指熔合区呈现白亮的一片或一圈），它脆而硬，难以切削加工。产生原因是焊接中母材吸热使冷却迅速，石墨来不及析出而形成碳化铁。
防止自口的措施有调整焊缝的化学成分、焊前预热和焊后缓冷、采用小电流焊接减少母材熔深等。
2）由于许多铸铁零件的结构复杂、刚性大、补焊时容易产生大的焊接应力，在零件的薄弱部位就容易产生裂纹。裂纹的部位可能在焊缝上，也可能在热影响区内。
防止产生裂纹的原则是减小焊接应力，可以从减小补焊区和工件整体之间的温度梯度或改善补焊区的膨胀和收缩条件等几方面采取措施。
二、堆焊
堆焊是焊接技术的一个重要分支。堆焊修复的目的不是连接零件，而是在零件表面堆敷金属，使其满足零件的尺寸和精度要求，并使其具有一定的性能，以满足零件表面的耐磨或耐热、耐腐蚀等要求。堆焊技术既可用来制造新零件，也可用于修复旧零件。例如，堆焊可修复各种轴类、轴承类、轧辊类零件以及工模具等。堆焊技术应用于修复零件时，不仅可以恢复零件尺寸，而且可以改善零件的表面性能，从而节约了资金，延长了机械设备使用寿命。
堆焊技术特点
堆焊技术的物理本质、工艺原理、冶金过程和热过程的基本规律和一般的焊接技术没有区别。但是它也有其自身的特点，主要是：
l）对堆焊技术的要求除满足零件的尺寸要求外，主要是满足零件性能方面的要求。
2）为了满足性能上的要求，首要的问题是选用合适的堆焊层合金。由于堆焊层的合金元素含量比母材的要高，有时会与母材成分有很大的不同，所以也带来一些新的问题。例如堆焊时由于两种材料性能不同引起的裂纹问题，母材对堆焊层的稀释问题等等。这些都要求在堆焊技术中妥善解决。
3）由于堆焊技术是在零件表面进行，使零件不对称受热极为显著，致使堆焊后零件变形明显。也要求在堆焊技术中妥善解决。
第二节热喷涂和喷焊技术
热喷涂和喷焊技术，它们不仅能够恢复机械零件磨损的尺寸，而且通过选用合适的喷涂（喷焊）材料，还能够改善和提高包括耐磨性和耐腐蚀性等在内的零件表面的性能，用途极为广泛，在零件的修复技术中占有重要的地位。
一、热喷涂技术
1. 热喷涂技术原理
利用氧乙炔火焰、或者电弧等热源，将喷涂材料（呈粉末状或丝材状）加热到熔融状态，在氧乙炔火焰、或者压缩空气等高速气流推动下，喷涂材料被雾化并被加速喷射到制备好的工件表面上。喷涂材料呈圆形雾化颗粒喷射到工件表面即受阻变形成为扁平状。最先喷射到工件表面的颗粒与工件表面的凹凸不平处产生机械咬合，随后喷射来的颗粒打在先前到达工件表面的颗粒上，也同样变形并与先前到达的颗粒互相咬合，形成机械结合。这样大量的喷涂材料颗粒在工件表面互相挤嵌堆积，就形成了喷涂层。
2．热喷涂技术种类
按照所用热源不同，热喷涂技术可分为氧乙炔火焰喷涂、电弧喷涂、高频喷涂、等离子喷涂、激光喷涂和电子束喷涂等。其中氧乙炔火焰喷涂以其设备投资少、生产成本低、工艺简单容易掌握、可进行现场维修等优点，在设备维修领域得到广泛的应用。
3．热喷涂技术特点
（1）适用范围广涂层材料可以是金属、非金属（例如聚乙烯、尼龙等工程塑料，金属氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等陶瓷材料）以及复合材料，被喷涂工件也可以是金属和非金属材料。正因为如此，表面具有各种涂层材料，使表面具有各种功能，例如耐蚀性、耐磨性、耐高温性等。
（2）工艺灵活施工对象小到直径10mm内孔，大到桥梁、铁塔等大型结构。喷涂既可在整体表面上进行，也可在指定区域内进行；既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料，也可以在现场作业。
（3）喷涂层减磨性能良好喷涂层的多孔组织具有储油润滑和减磨性能。
（4）工件受热影响小热喷涂技术对工件受热温度低，故工件热变形较小，材料组织不发生变化。
（5）生产率高大多数喷涂技术的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工工艺方法更高。
热喷涂技术也存在缺点，例如喷涂层与工件基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；工件表面粗糙化处理会降低零件的刚性；涂层质量靠严格实施工艺来保证，涂层质量尚无有效的检测方法。
4．氧乙炔火焰喷涂技术
该技术是以氧乙炔焰为热源，借助高速气流将喷涂粉末吸人火焰区，加热到熔融状态态后再喷射到制备好的工件表面，形成喷涂层。
氧乙炔火焰喷涂设备主要包括喷枪、氧气和乙炔储存器（或发生器）、喷砂设备、电火花拉毛机、表面粗化用工具及测量工具等。
喷枪是氧乙炔火焰喷涂技术的主要设备。国产喷枪大体上可分为中小型和大型两类。中小型喷枪主要用于中小型和精密零件的喷涂和喷焊，适应性较强。大型喷枪主要用于对大零件的喷焊，生产效率高。
二、喷焊技术
喷焊是指对经预热的自熔性合金粉十喷涂层再加热，使喷涂层颗粒熔化（约1000~1300摄氏度），造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面润湿达到良好粘接，最终质地致密的金属结晶组织与基体形成约0.05~0.10mm的冶金结合层。喷焊层与基体结合强度约为400MPa，它的耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能都较好。这一加热过程称为重熔。
第三节电镀修复技术
电镀是指在含有欲镀金属的盐类液液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积，形成镀层的一种表面加工技术。电镀技术形成的金属镀层可补偿零件表面磨损和改善表面性能，它是最常用的修复技术。
一、电镀
1. 电镀的基本知识
（1）电镀液电镀液是由市盐、络合剂、附加盐、缓冲剂、阳极活化剂、添加剂等组成。
（2）电化学反应由于电子直接参加化学反应，称为电化学反应。
2．电镀前预处理和电镀后处理
（1）电镀前预处理预处理目的是为了使待镀面呈现干净新鲜的金属表面，以便获得高质量镀层。首先通过表面磨光、抛光等方法使表面粗糙度达一定要求，再采用溶剂溶解或化学、电化学方法使表面脱脂，接着用机械、酸洗以及电化学方法除锈，最后把表面在弱酸中浸蚀一定时间进行镀前活化处理。
（2）电镀后处理电镀后处理包括钝化处理和除氢处理。钝化处理是指把已镀表面放入
一定的溶液中进行化学处理，在镀层上形成一层坚实致密的、稳定性高的薄膜的表面处理方法。钝化处理使镀层耐蚀性大大提高，并增加表面光泽和抗污染能力。有些金属，例如锌，在电沉积过程中，除自身沉积出来外，还会析出一部分氢，这部分氢渗入镀层中，使镀件产生脆性甚至断裂，称为氢脆。为了消除氢脆，往往在电镀后，使镀件在一定的温度下热处理数小时，称为除氢处理。
3．电镀金属
槽镀时的金属镀层种类很多，设备维修中常用的有镀铬、镀镍、镀铁、镀铜及其合金等。
（1）镀铬在钢铁材料或有色金属基体上可以镀铬。不带底镀层镀铬后直接使用，可作为抛光或珩磨精饰后表面。
带底镀层的镀铬可用于修复时补偿较厚的尺寸，一般底层镀镍或铜，磨光后再镀铬层，最终磨削。
铬镀层的特点是：
l）耐磨损。
2）耐腐蚀。
3）与基体结合强度高。
（2）镀镍维修零件时表面镀镍厚度一般为0．2－3mm，镍镀层的有些力学性能和耐氯化物腐蚀性能优于铬镀层，所以应用更为广泛。造纸、皮革、玻璃等制造业用轧辊表面镀镍可耐腐蚀、抗氧化等。另外还用于维修时补偿零件尺寸。
（3）镀铁铁镀层的成分是纯铁，它具有良好的耐蚀性和耐磨性，适宜对磨损零件作尺寸补偿。
（4）镀铜铜镀层较软，富有延展性，导电和导热性能好，对于水、盐溶液和酸，在没有氧化条件下具有良好的耐蚀性。常用于作铬镀层或镍镀层的底层，热处理时的屏蔽层，减磨层等。
（5）电镀合金电镀时，在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，称为电镀合金。
二、电刷镀
电刷镀是在被镀零件表面局部快速电沉积金属镀层的技术，其本质是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀所需要的电解液的电镀。
4．电刷镀工艺过程
电刷镀工艺过程主要包括镀前预处理、刷镀层的选择和设计、镀件刷镀和镀后处理等。（1）镀前预处理镀件镀前预处理是电刷镀顺利进行和获得成功的必要条件。它包括镀件表面整修、表面清理、表面的电净处理和活化处理。
1）表面整修。镀件表面存在的毛刺、磨损层和疲劳层，都要用切削机床修整，或用砂布有打磨，以使表面平滑，并获得正确的几何形状和暴露出基体金属的正常组织。
2）表面清理。它是指采用化学及机械的方法对镀件表面的油污、锈斑等进行清理。当镀件表面有大量油污时，可先用汽油、煤油等有机溶剂去除绝大部分油污，然后再用化学脱脂溶液除去残留油污，并用清水洗净。若表面有较厚的锈蚀物，可用砂布打磨、钢丝刷刷除或喷砂处理，以除去锈蚀物。
3）表面电净处理。它是指采用电解方法去除表面油脂。
4）表面活化处理。电净处理之后紧接着是活化处理。它是指使用活化液，通过化学的和电化学的腐蚀作用，除去表面的氧化膜并使表面受到轻微刻蚀而呈现出金属的结晶组织。第四节粘接与表面粘涂修复技术
粘接修复技术
凡是能把各种材料紧密粘合在一起的物质，称为胶粘剂。采用胶粘剂来进行连接达修复
的目的的技术就是粘接修复技术。粘接修复技术可部分代替焊接、铆接、过盈连接和螺栓联接，将各种金属和非金属零件牢固地连接起来，可达到较高强度要求。粘接修复技术工艺、设备简单，操作方便，成本低廉，粘接层密封防腐性能好，耐疲劳强度高，因此得广泛应用。但是，粘接层抗剥离强度、不均匀扯离强度和抗冲击强度较低，胶粘剂耐热性高、耐老化性能差等限制了它的应用。
粘接的基本原理
胶粘剂之所以能牢固粘接两个相同或不同材料，是由于它们之间必须形成粘接力。但是，粘接是个复杂的过程，它包括表面浸润、胶粘剂分子向被粘物表面移动、扩散和渗透、胶粘剂与被粘物形成物理和机械结合等问题。
第五节表面强化技术
零件修复，不仅仅是补偿尺寸，恢复配合关系，还要赋予零件表面更好的性能，如耐磨性、耐高温性等。采用表面强化技术可以使零件表面获得更好的性能。
表面强化技术是指采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术，它可以延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，对各种高新技术发展具有重要作用。
一、表面机械强化
表面机械强化的基本原理是，通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）使零件金属表产生压缩变形，表面形成形变硬化层，其深度可达0．5－15mm。这种表层组织结构产生变化，有效地提高了金属表面强度和疲劳强度。
要有滚压，内挤压和喷丸等，其中喷丸强化应用最为广泛。
1．滚压强化
滚压强化的原理是利用球形金刚石滚压头或者表面有连续沟槽的球形金刚石滚压头以一定的滚压力对零件表面进行滚压，使表面形变强化产生硬化层。
2．内挤压
内挤压是指孔的内表面获得形变强化的工艺方法。
3．喷丸
喷丸是利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余应力的一种机械强化上艺方法。
二、表面热处理强化和表面化学热处理强化
1．表面热处理强化
常用的表面热处理强化包括：高频和中频感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，接触电阻加热表面淬火，浴炉（高温盐浴炉）加热表面淬火等。以上除接触电阻加热表面淬火外，其它均为常规的热处理方法。
2．表面化学热处理强化
表面化学热处理强化可以提高金属表面的强度、硬度和耐磨性，提高表面疲劳强度，提高表面的耐蚀性，使金属表面具有良好的抗粘着能力和低的摩擦系数。
常用的表面化学热处理强化方法有渗硼（可提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性），渗碳、渗氮、碳氮共渗（可提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度），渗金属等。
三、电火花强化
电火花强化是以直接放电的方式向零件表面提供能量，并使之转化为热能和其它形式能量以达到改变表面层的化学成分和金相组织的目的，从而使表面性能提高。
四、激光表面处理
激光表面处理是高能密度表面处理技术中的一种主要手段，在一定条件下它具有传统表面处理技术或其它高能密度表面处理技术不能或不易达到的特点，所以它已用于汽车，冶
典型电子元器件失效分析方法 纵观当今电子信息技术发展状况，自进入二十世纪后期以来发展尤为猛烈，而电子元器件作为发展电子信息技术的基础，一直扮演着十分重要的角色。于是，了解电子元器件失效分析是人们一直关心的问题，那么这次华强北IC代购网就为大家简要的介绍几种典型电子元器件失效分析方法。 1、微分析法 (1)肉眼观察是微分析技术的第一步，对电子元器件进行形貌观察、线系及其定位失准等，必要时还可以借助仪器，例如：扫描电镜和透射电子显微镜等进行观察； (2)其次，我们需要了解电子元器件制作所用的材料、成分的深度分布等信息。而AES、SIMS和XPS仪器都能帮助我们更好的了解以上信息。不过，在作AES测试时，电子束的焦斑要小，才能得到更高的横向分辨率； (3)最后，了解电子元器件衬底的晶体取向，探测薄膜是单晶还是多晶等对其结构进行分析是一个很重要的方面，这些信息主要由XRD结构探测仪来获取。 2、光学显微镜分析法 进行光辐射显微分析技术的仪器主要有立体显微镜和金相显微镜。将其两者的技术特点结合使用，便可观测到器件的外观、以及失效部位的表面形状、结构、组织、尺寸等。亦可用来检测芯片击穿和烧毁的现象。此外我们还可以借助具有可提供明场、暗场、微干涉相衬和偏振等观察手段的显微镜辅助装置，以适应各种电子元器件失效分析的需要。 3、红外显微分析法
与金相显微镜的结构相似，不同的是红外显微镜是利用近红外光源，并采用红外变像管成像，利用此工作原理不用对芯片进行剖切也能观察到芯片内部的缺陷及焊接情况。 红外显微分析法是针对微小面积的电子元器件，在对不影响器件电学特性和工作情况下，利用红外显微技术进行高精度非接触测温方法，对电子元器件失效分析都具有重要的意义。 4、声学显微镜分析法 电子元器件主要是由金属、陶瓷和塑料等材料制成的，因此声学显微镜分析法就是基于超声波可在以上这些均质传播的特点，进行电子元器件失效分析。此外，声学显微镜分析法最大的特点就是，能观察到光学显微镜无法看到的电子元器件内部情况并且能提供高衬度的检测图像。 以上是几种比较常见的典型电子元器件失效分析方法，电子元器件失效一直都是历久弥新的话题，而对电子元器件失效分析是确定其失效模式和失效机理的有效途径之一，对电子元器件的发展具有重要的意义。
机械零部件FMEA的常见失效& 应对措施 机械设备中各种零件或构件都具有一定的功能，如传递运动、力或能量，实现规定的动作，保持一定的几何形状等等。当机件在载荷（包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等）作用下丧失最初规定的功能时，即称为失效。一般机械零件的失效形式是按失效件的外部形态特征来分类的，大体包括：磨损失效、断裂失效、变形失效和腐蚀与气蚀失效。 一、磨损失效摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。当零件之间或零件与其他物质之间相互接触，并产生相对运动时，就称为摩擦。零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。材料磨损包括两个方面：一是材料组织结构的损坏；二是尺寸、形状及表面质量（粗糙度）的变化。1、磨料（粒）磨损零件表面与磨料相互摩擦，而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。磨料也包括对零件表面上硬的微凸体。在磨损失效中，磨料磨损失效是最常见、危害最为严重的一种。磨料磨损分为三种情况：第一种是直接与磨料接触的机件所发生的磨损，称为两体磨损；第二种是硬颗料进入摩擦副两对摩表面之间所造成的磨损，称为三体磨损；第三种是坚硬、粗糙的表面微凸体在较软的零件表面上滑动所造成的损伤，称为微凸体磨损。减少磨料磨损的应对措施对工程机械、农业机械、矿山机械中的许多遭受二体
磨损机件，主要是选择合适的耐磨材料，优化结构与参数设计。对所有机械设备中可能遭受三体磨损的摩擦副，如轴颈与轴瓦，滚动轴承，缸套与活塞，机械传动装置等，应设法阻止外界磨料进入摩擦副，并及时清除摩擦副磨合过程中产生的磨屑及硬微凸体磨损产生的磨屑。具体措施是对空气、油料过滤；注意关键部分的密封；经常维护、清洗换油；提高摩擦副表面的制造精度；进行适当的表面处理等。2、粘着磨损粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生相互焊合，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损。由于摩擦表面粗糙不平，两摩擦表面实际上只是在一些微观点上接触。在法向载荷作用下，接触点的压力很大，使金属表面膜破裂，两表面的裸露金属直接接触，在接触点上发生焊合，即粘着。当两表面进一步相对滑动时，粘着点便发生剪切及材料转移现象。在邻近区域，凸出的材料又可能发生新的粘着，直至最后在表面上脱落下来，形成磨屑。减少粘着磨损的应对措施（1）合理润滑建立可靠的润滑保护膜，隔离相互摩擦的金属表面，是最有效、最经济的措施。（2）选择互溶性小的材料配对铅、锡、银等在铁的溶解度小，用这些金属的合金做轴瓦材料，抗粘着性能极好（如巴氏合金、铝青铜、高锡铝合金等），钢与铸铁配对抗粘着性能也不错。（3）金属与非金属配对钢与石墨、塑料等非金属摩擦时，粘着倾向小，用优质塑料作耐磨层是很有效的。（4）
电容的失效模式和失效机理 电容器的常见失效模式有： ――击穿短路；致命失效 ――开路；致命失效 ――电参数变化（包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上升等；部分功能失效 ――漏液；部分功能失效 ――引线腐蚀或断裂；致命失效 ――绝缘子破裂；致命失效 ――绝缘子表面飞弧；部分功能失效 引起电容器失效的原因是多种多样的。各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同，失效机理也各不一样。 各种常见失效模式的主要产生机理归纳如下。 3.1失效模式的失效机理 3.1.1 引起电容器击穿的主要失效机理 ①电介质材料有疵点或缺陷，或含有导电杂质或导电粒子； ②电介质的电老化与热老化； ③电介质内部的电化学反应； ④银离子迁移； ⑤电介质在电容器制造过程中受到机械损伤； ⑥电介质分子结构改变； ⑦在高湿度或低气压环境中极间飞弧；
⑧在机械应力作用下电介质瞬时短路。 3.1.2 引起电容器开路的主要失效机理 ①引线部位发生“自愈“，使电极与引出线绝缘； ②引出线与电极接触表面氧化，造成低电平开路； ③引出线与电极接触不良； ④电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂； ⑤液体电解质干涸或冻结； ⑥机械应力作用下电介质瞬时开路。 3.1.3 引起电容器电参数恶化的主要失效机理 ①受潮或表面污染； ②银离子迁移； ③自愈效应； ④电介质电老化与热老化； ⑤工作电解液挥发和变稠； ⑥电极腐蚀； ⑦湿式电解电容器中电介质腐蚀； ⑧杂质与有害离子的作用； ⑨引出线和电极的接触电阻增大。 3.1.4 引起电容器漏液的主要原因 ①电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压上升； ②电容器金属外壳与密封盖焊接不佳； ③绝缘子与外壳或引线焊接不佳；
元器件的失效模式总结 Beverly Chen 2016-2-4 一、失效分析的意义 失效分析（Failure Analysis）的意义在于通过对已失效器件进行事后检查，确定失效模式，找出失效机理，确定失效的原因或相互关系，在产品设计或生产工艺等方面进行纠正以消除失效的再次发生。 一般的失效原因如下： 二、失效分析的步骤 失效分析的步骤要遵循先无损，后有损的方法来一步步验证。比如先进行外观检查，再进行相关仪器的内部探查，然后再进行电气测试，最后才可以进行破坏性拆解分析。这样可以避免破坏性的拆解破坏证据。拿到失效样品，首先从外观检查开始。 1. 外观检查：收到失效样品后，首先拍照，记录器件表面Marking信息，观察器件颜色外观等有何异常。 2.根据器件类型开始分析：
2.1贴片电阻，电流采样电阻 A: 外观检查，顶面覆盖保护层有针状圆形鼓起或黑色击穿孔->内部电阻层烧坏可能->万用表测量阻值：测得开路或者阻抗偏大->内部电阻层烧毁可能->可能原因：过电压或过电流烧毁—>检查改电阻的稳态功率/电压或者瞬时功率/电压是否已超出spec要求。 Coating 鼓起并开裂黑色击穿点 ●可失效样品寄给供应商做开盖分析，查看供应商失效报告：如发现烧毁位置位于激光切 割线下端，可确定是过电压导致失效。需要考虑调整应用电路，降低电压应力，或者换成能承受更大应力的电阻。 激光切割线 去除coating保护层后，可以看到烧毁位置位于激光切割线旁边，该位置电应力最集中。 B: 外观检查，顶面底面均无异常->万用表测量阻值：测得开路或者阻抗偏大->内部电阻层烧毁或者电极因硫化断开或阻抗增大->检查改电阻的稳态功率或者瞬时功率是否已超出spec要求，如有可能是过电压或过功率烧毁；应力分析在范围内，考虑硫化->失效样品寄给供应商分析。查看供应商失效报告： ●如发现烧毁位置位于激光切割线下端，可确定是过电压导致失效。需要考虑降低应用电 路中的电压应力，或者换成能承受更大应力的电阻。 ●如果测试发现保护层附近电极硫元素含量高且电极沿保护层边缘发生断裂情况，可确认 是应用中硫化物污染导致银电极被硫化生成AgS而断开需确认应用环境是否硫含量比较高。如果有必要，更换为抗硫化电阻。
电阻器常见的失效模式与失效机理失效模式:各种失效的现象及其表现的形式。 失效机理:是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。 1、电阻器的主要失效模式与失效机理为: 1)开路:主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线帽与电阻体脱落。 2)阻值漂移超规范:电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。 3)引线断裂:电阻体焊接工艺缺陷，焊点污染，引线机械应力损伤。 4)短路:银的迁移，电晕放电。 2、失效模式占失效总比例表 (1)、线绕电阻 失效模式占失效总比例 开路90% 阻值漂移2% 引线断裂7% 其它1% (2)、非线绕电阻 失效模式占失效总比例 开路49% 阻值漂移22% 引线断裂17% 其它7% 3、失效机理分析 电阻器失效机理是多方面的，工作条件或环境条件下所发生的各种理化过程是引起电阻器老化的原因。 (1)、导电材料的结构变化:
薄膜电阻器的导电膜层一般用汽相淀积方法获得，在一定程度上存在无 定型结构。按热力学观点，无定型结构均有结晶化趋势。在工作条件或环境条 件下，导电膜层中的无定型结构均以一定的速度趋向结晶化，也即导电材料内 部结构趋于致密化，能常会引起电阻值的下降。结晶化速度随温度升高而加快。 电阻线或电阻膜在制备过程中都会承受机械应力，使其内部结构发生畸变，线径愈小或膜层愈薄，应力影响愈显著。一般可采用热处理方法消除内应力，残余内应力则可能在长时间使用过程中逐步消除，电阻器的阻值则可能因 此发生变化。 结晶化过程和内应力清除过程均随时间推移而减缓，但不可能在电阻器 使用期间终止。可以认为在电阻器工作期内这两个过程以近似恒定的速度进行。与它们有关的阻值变化约占原阻值的千分之几。 电负荷高温老化:任何情况，电负荷均会加速电阻器老化进程，并且电负 荷对加速电阻器老化的作用比升高温度的加速老化后果更显著，原因是电阻体 与引线帽接触部分的温升超过了电阻体的平均温升。通常温度每升高10℃， 寿命缩短一半。如果过负荷使电阻器温升超过额定负荷时温升50℃，则电阻 器的寿命仅为正常情况下寿命的1/32。可通过不到四个月的加速寿命试验， 即可考核电阻器在10年期间的工作稳定性。 直流负荷-电解作用:直流负荷作用下，电解作用导致电阻器老化。电解 发生在刻槽电阻器槽内，电阻基体所含的碱金属离子在槽间电场中位移，产生 离子电流。湿气存在时，电解过程更为剧烈。如果电阻膜是碳膜或金属膜，则 主要是电解氧化;如果电阻膜是金属氧化膜，则主要是电解还原。对于高阻薄 膜电阻器，电解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一侧可能出现薄膜破坏 现象。在潮热环境下进行直流负荷试验，可全面考核电阻器基体材料与膜层的 抗氧化或抗还原性能，以及保护层的防潮性能。 (2)、气体吸附与解吸: 膜式电阻器的电阻膜在晶粒边界上，或导电颗粒和黏结剂部分，总可能 吸附非常少量的气体，它们构成了晶粒之间的中间层，阻碍了导电颗粒之间的 接触，从而明显影响阻值。 合成膜电阻器是在常压下制成，在真空或低气压工作时，将解吸部分附 气体，改善了导电颗粒之间的接触，使阻值下降。同样，在真空中制成的热分 解碳膜电阻器直接在正常环境条件下工作时，将因气压升高而吸附部分气体，
片式电阻的主要失效机理与失效模式 1．什么是片式电阻，片式电阻的概念。 片式电阻器又称为片式电阻，也叫表面贴装电阻，它与它片式元器件（SMC 及SMD）一样，是适用于表面贴装技术（SMT）的新一代无引线或短引线微型电子元件。其引出端的焊接面在同一平面上。片式电阻在电路内的主要作用是降低电压，分担一部分电压即分压，限流保护电路，分流等，也可以用做时间电路元件和传感器等。 2.片式电阻的特性及分类。 表面组装的电阻器是表面组装元气件的组成之一，它属于无源元件，其作用主要供厚膜、薄膜电路作外贴元件用。它一般按两种方式进行分类。按特性与材料分类分为：厚膜电阻、薄膜电阻。按外形结构分类分为：矩形片式电阻、圆柱片式电阻、异形电阻。矩形片式电阻的结构如下图（a）： （a）矩形片式电阻结构示意图 2.1矩形片式电阻结构介绍： 矩形片式电阻由基板、电阻膜、保护膜、电极四大部分组成。 基板：基板材料一般使用96％的Al2O3（三氧化二铝）陶瓷。基本应具体有
良好的电绝缘性，在高温下具有良好的导热性、电性能和一定强度的机械性能。电阻膜：电阻膜是用具有一定电阻率的电阻浆料印刷在陶瓷基本上的，在经过烧结而形成厚膜电阻。电阻浆料一般用RuO2（二氧化钉）。近年来开始使用贱金属系的电阻浆料，比如氧化系（TaN-Ta）、碳化系(WC-W)和Cu系材料，目的是降低成本。 保护膜：将保护膜覆盖在电阻膜上，保护膜的主要作用是保护电阻。它一方面起机械保护作用，另一方面使电阻体表面具有绝缘性，避免电阻与邻近导体接触而产生故障。保护膜一般是低熔点的玻璃浆料，进过印刷烧结而成。 电极：电极是为了保证电阻器具有良好的可焊性和可靠性，一般采用三层电极结构：内层电极、中间电极、外层电极。内层电极作用：连接电阻体的内部电极。中间电极是镀镍层，其阻挡作用，提高电阻散热，缓冲焊接的热冲击。外层电极是锡铅层，主要作用是使电极具有可焊性。 3片式电阻常见的失效模式与失效机理。 图（1）线绕电阻失效总比例图（2）非线绕电阻失效总比例 片式电阻的主要失效模式与失效机理为： 1) 开路：主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落，基体受力发生断裂，引线帽与电阻体发生脱落。
理化检验-物理分册PTCA(PART:A PH YS.T EST.)2005年第41卷3专题讲座 失效分析思路 FAILURE ANA LYSIS M ETH ODOLOGY 张峥 (北京航空航天大学材料学院,北京100083) 中图分类号:T B303文献标识码:E文章编号:1001-4012(2005)03-0158-04 失效分析在生产建设中极其重要,失效分析的限期往往要求很短,分析结论要正确无误,改进措施要切实可行。导致零部件或系统失效的因素往往很多,加之零部件相互间的受力情况很复杂,如果再考虑外界条件的影响,这就使失效分析的任务更加繁重。此外,大多数失效分析的关键性试样十分有限,只容许一次取样、一次观察和测量。在分析程序上走错一步,可能导致整个分析的失败。由此可见,如果分析之前没有一条正确的分析思路,要能如期得出正确的结论几乎是不可能的。 有了正确的分析思路,才能制定正确的分析程序。大的事故需要很多分析人员按照分工同时进行,做到有条不紊,不走弯路,不浪费测试费用。所以从经济角度也要求有正确的分析思路。 1失效分析思路的内涵 世界上任何事物都是可以被认识的,没有不可以认识的东西,只存在尚未能够认识的东西,机械失效也不例外。实际上失效总有一个或长或短的变化发展过程,机械的失效过程实质上是材料的累积损伤过程,即材料发生物理的和化学的变化。而整个过程的演变是有条件的、有规律的,也就是说有原因的。因此,机械失效的客观规律性是整个失效分析的理论基础,也是失效分析思路的理论依据。 失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线,是在思想中以机械失效的规律(即宏观表象特征和微观过程机理)为理论依据,把通过调查、观察和实验获得的失效信息(失效对象、失效现象、失效环 收稿日期:2005-02-07 作者简介:张峥(1965-),男,教授,博士生导师。境统称为失效信息)分别加以考察,然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察,以获取的客观事实为证据,全面应用推理的方法,来判断失效事件的失效模式,并推断失效原因。因此,失效分析思路在整个失效分析过程中一脉相承、前后呼应,自成思考体系,把失效分析的指导思路、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体,从而达到失效分析的根本目的。 在科学的分析思路指导下,才能制定出正确的分析程序;机械的失效往往是多种原因造成的,即一果多因,常常需要正确的失效分析思路的指导;对于复杂的机械失效,涉及面广,任务艰巨,更需要正确的失效分析思路,以最小代价来获取较科学合理的分析结论。总之,掌握并运用正确的分析思路,才可能对失效事件有本质的认识,减少失效分析工作中的盲目性、片面性和主观随意性,大大提高工作的效率和质量。因此,失效分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分,而且是失效分析的灵魂。 失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程,结果和原因具有双重性,因此,失效分析可以从原因入手,也可以从结果入手,也可以从失效的某个过程入手,如/顺藤摸瓜0,即以失效过程中间状态的现象为原因,推断过程进一步发展的结果,直至过程的终点结果;/顺藤找根0,即以失效过程中间状态的现象为结果,推断该过程退一步的原因,直至过程起始状态的直接原因;/顺瓜摸藤0,即从过程中的终点结果出发,不断由过程的结果推断其原因;/顺根摸藤0,即从过程起始状态的原因出发,不断由过程的原因推断其结果。再如/顺瓜摸藤+顺藤找根0 /顺根摸藤+顺藤摸瓜0/顺藤摸瓜+顺藤找根0等。 # 158 #
电子元器件失效性分析与应用 赵春平公安部第一研究所 摘要： 警用装备作为国内特种装备制造业之一，其可靠性、精确性要求非一般企业及产品所能满足，因其关系到现场使用者及人民的生命财产安全，故设备选材更是严之又严。电子元器件作为警用电子系统的基础及核心部件，它的失效及潜在缺陷都将对装备的可靠性产生重要影响；电子器件失效分析的目的是通过确定失效模式和失效机理，提出对策、采取措施，防止问题出现，失效分析对于查明元器件的失效原因并及时向设计者反馈信息是必须的。随着警用装备制造水平的不断进步，元器件的可靠性问题越来越受到重视，设备研制单位和器件生产厂家对失效分析技术及工程实践经验的需求也越来越迫切。 关键词：警用装备、可靠性、失效模式、失效机理。 一、失效分析的基本内容，定义和意义 1．1失效分析的基本内容 电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序认定器件的失效现象，判断其失效模式和机理，从而确定失效原因，对后续设计提出建议，在生产过程中改进生产工艺，器件使用者在系统设计时改进电路设计，并对整机提出相应测试要求、完成测试。因此，失效分析对元器件的研制速度、整机的可靠性有着重要意义。 1.2失效的分类 在实际使用中，可以根据需要对失效做适当分类：按模式分为：开路、短路、无功能、特性退化、重测合格；按原因分为：误用失效、本质失效、早起失效、偶然失效、耗损失效、自然失效；按程度分为：完全失效、局部失效、按时间分为：突然失效、渐变失效、退化失效；按外部表现分为：明显失效、隐蔽失效等。 二、失效的机理、模式 2.1失效的机理 由于电子器件的失效主要来自于产品制造、实验、运输、存储、使用等一系列过程中发生的情况，与材料、设计、制造、使用密切相关。且电子元器件种类繁多，故失效机理也很多，失效机理是器件失效的实质原因，在此说明器件是如何失效，相当于器件失效的物理和化学过程，从而表现出来性能、性质（如腐蚀、疲劳、过应力等）。元器件主要失效机 理有： 2.1.1过应力（EOS）： 指元器件承受的电流、电压应力或功率超过了其允许的最大范围。 2.1.2静电损伤（ESD） 指电子器件在加工生产、组装、贮存、运输中与可能带静电的容器、测试及操作人员接触，所带经典经过器件引脚放电到地面，使器件收到损伤或失效。
机械零件的失效分析 失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。 失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。 一、零件的失效形式 失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。 1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效） ①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效） 弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。 ②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效） 塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。 2、断裂失效 ①塑性断裂 零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂； ②脆性断裂 脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断； ③疲劳断裂 在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂； ④蠕变断裂 在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效； 3、表面损伤 ①磨损失效 磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。磨损可能是被硬质点切削下来，也可能是在大的压力下焊合撕开，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨损的能力愈强。 磨粒磨损：相对运动的零件表面间嵌入硬质颗粒而造成的磨损 粘着磨损：两个相对运动零件表面的微观凸起发生粘合而撕裂 ②表面疲劳（在交变接触应力作用下，使机件表面产生点蚀而发生磨损）
电容器失效模式和失效机理 电容器的常见失效模式有:击穿、开路、电参数变化(包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上下班升等)、漏液、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等.引起电容器失效的原因是多种多样的.各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同,失效机理也各不一样. 各种常见失效模式的主要产生机理归纳如下. 1、常见的七种失效模式 (1) 引起电容器击穿的主要失效机理 ①电介质材料有疵点或缺陷,或含有导电杂质或导电粒子; ②电介质的电老化与热老化; ③电介质内部的电化学反应; ④银离子迁移; ⑤电介质在电容器制造过程中受到机械损伤; ⑥电介质分子结构改变; ⑦在高湿度或低气压环境中极间飞弧; ⑧在机械应力作用下电介质瞬时短路. (2) 引起电容器开路的主要失效机理 ①引线部位发生“自愈“,使电极与引出线绝缘; ②引出线与电极接触表面氧化,造成低电平开路; ③引出线与电极接触不良; ④电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂; ⑤液体工作台电解质干涸或冻结; ⑥机械应力作用下电介质瞬时开路. (3) 引起电容器电参数恶化的主要失效机理 ①受潮或表面污染; ②银离子迁移; ③自愈效应; ④电介质电老化与热老化; ⑤工作电解液挥发和变稠; ⑥电极腐蚀; ⑦湿式电解电容器中电介质腐蚀; ⑧杂质与有害离子的作用; ⑨引出线和电极的接触电阻增大. (4) 引起电容器漏液的主要原因 ①电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压一升; ②电容器金属外壳与密封盖焊接不佳; ③绝缘了与外壳或引线焊接不佳; ④半密封电容器机械密封不良; ⑤半密封电容器引线表面不够光洁; ⑥工作电解液腐蚀焊点. (5) 引起电容器引线腐蚀或断裂的主要原因 ①高温度环境中电场作用下产生电化学腐蚀; ②电解液沿引线渗漏,使引线遭受化学腐蚀;
1.机械零件的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳）、破坏正常工作条件引起的失效 2.设计零件应满足的要求：避免在预定寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命）、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求、可靠性要求 3.零件的设计准则：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则 4.零件的设计方法：理论设计、经验设计、模型试验设计 5.机械零件常用的材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料 6.零件的强度分为：静应力强度和变应力强度 7.应力比r=-1为对称循环应力；r=0为脉动循环应力 8.BC阶段为应变疲劳（低周疲劳）；CD为有限寿命疲劳阶段；D点以后的线段代表了试件无限寿命疲劳阶段；D点为持久疲劳极限 9.提高零件疲劳强度的措施：尽可能降低零件上应力集中的影响（减载槽、开环槽）、选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺 10.滑动摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦及混合摩擦 11.零件的磨损过程：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段；应该力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来 12.磨损的分类：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损 13.润滑剂分为：气体、液体、固体和半固体四种；润滑脂分为：钙基润滑脂、纳基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂 14.普通连接螺纹牙型为等边三角形，自锁性较好；矩形传动螺纹的传动效率比其他螺纹高；梯形传动螺纹是最常用的传动螺纹 15.常用的连接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹 16.普通螺栓连接（被连接件上开有通孔或铰制孔）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接 17.螺纹连接预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。螺纹连接放松的根本问题：防止螺旋副在受载时发生相对转动。（摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松） 18.提高螺纹连接强度的措施：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（减少螺栓刚度或增大被连接件刚度）、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象、减小应力集中的影响、采用合理的制造工艺 19.键连接类型：平键连接（两侧面是工作面）、半圆键连接、锲键连接、切向键连接 20.带传动分为：摩擦型和啮合型 21.带的瞬间最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处；带一周，应力变化四次 22.V带传动的张紧：定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置 23.滚子链的链节数一般为偶数（链轮的齿数取奇数），滚子链为奇数时采用过度链节 24.链传动张紧的目的：避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条振动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角 25.齿轮的失效形式：轮齿折断、齿面磨损（开式齿轮）、齿面点蚀（闭式齿轮）、齿面胶合、塑性变形（从动轮出现脊棱、主动轮出现沟槽） 26.齿轮工作面的硬度大于350HBS或38HRS的称为硬面齿；反之为软齿面齿轮 27.提高制造精度，减小齿轮直径以降低圆周速度，均可减小动载荷；为了减小动载荷，可将齿轮进行齿顶修缘；将齿轮的轮齿做成鼓形是为了改善齿向载荷分布 28.Tanr=z1:q（直径系数）导程角越大，效率越高，自锁性越差
光电子元器件的失效模式和失效机理 朱炜容 1.1 光电子器件的分类 在光电子技术中，光电子元器件包括光源器件以及光探测器件。其中光源器件主要有发光二极管和激光器。光探测器件主要是光电二极管。作为电气元件，光纤和光缆也是光电子技术中不可缺少的组成元件。 1.2 激光器的失效模式及失效机理 随着工作时间的增加，半导体激光器的工作性能将会劣化，发射功率和效率下降，有时还会发生突然失效的灾变性损坏。造成半导体激光器退化的原因除了其本身的因素外，还有使用温度、工作条件等环境因素。 一、暗线缺陷 暗线缺陷是激光器工作时形成的缺陷网络，这些缺陷最终会导致发射功率的下降。暗线缺陷的形成除了材料、工艺过程中会引入外，其形成过程与温度有很大的关系，它所引起的退化速率强烈地依赖于温度。 二、腔面损伤退化 腔面的损伤退化一般有灾变性退化和化学腐蚀损伤退化。 在高功率密度激光的作用下，由于局部过热、氧化、腐蚀、介质膜的针孔和杂质等因素使腔面遭受损伤，从而使局部电流密度增加，局部大量发热，在热电正反馈的作用下，最终腔面局部熔融，导致灾难性的损伤，器件完全失效。 腔面的化学腐蚀是由于光化学作用使腔面表面发生氧化，并形成局部缺陷，导致腔面局部发热，使激光器性能退化甚至失效。 三、电极退化 高功率半导体激光器的欧姆接触退化和热阻退化与其他电子器件的电极退化相似。电极金属和半导体材料间存在互扩散，在烧结的部位，孔洞和晶须的生长现象是常见的退化模式。另外，热应力导致的电极损伤也很常见。由于电极远离器件的有源区，电极退化对器件特性的影响一般在老化或工作一定时间后再表现出来。
半导体激光器的工作性能对温度非常敏感，温度升高将加速暗线缺陷的生长，腔面氧化等失效机理，严重影响激光器的寿命。激光器的转换效率不高，自身的功耗很大，因此降低热阻是提高激光器寿命和可靠性的主要方法之一。芯片电极烧结质量的好坏不但影响了热阻的大小，而且还关系到电极的电阻，因为激光器在正常工作时，其一般工作电流为几十甚至上百安培，即使是很小的电极电阻，也将产生很大的热功耗，减小电极电阻可以减小激光器本身的热功耗。此外，烧结工艺控制不好会造成焊料沾污腔面、焊料导致pn结短路以及烧结应力导致芯片损伤等。因此电极的烧结质量与半导体激光器的性能、稳定性和可靠性紧密相关。 1.3 光电二极管的失效模式和失效机理 光电二极管的失效模式主要有：结构损伤、光纤断裂、开路、短路、性能参数退化（暗电流上升、响应度降低、击穿电压降低等）和IV特性变化等。 引起这些失效的主要原因如下： 1、结构损伤 整个光电二极管结构由于外力导致构成器件的各有机组成部分产生大的机械变形、位移，严重影响到器件的使用性能或致使器件失去规定的功能。这些外形结构的损伤失效容易通过目检并结合使用环境来判定。 1）机械应力如震动、冲击、碰撞、压力，可能会导致二极管的结构变形毁坏，外引线脱（断）落，光窗破裂，光纤塑套皱缩，纤芯断裂等失效。 2）热应力容易导致器件不同性质的材料之间因热膨胀系数的差异而位移、形变，从而导致结构（绝缘子、光窗、封边等）漏气、光纤位移甚至脱落。 3）高湿环境中器件金属表面容易受到电化学腐蚀，导致光窗脱落、封边漏气、外引出端及其与管脚间的绝缘电阻降低。 2、光纤断裂 1）各方向的应力超过了光纤承受的限度。 2）与金属或陶瓷插针粘接的光纤纤芯因机械或热应力作用导致光纤在插针结合部位断裂或损伤。
电子元器件主要失效模式和机理介绍 本报编辑：韩双露时间: 2009-5-22 17:16:45 来源: 电子制造商情 中国赛宝实验室分析中心陈媛 摘要：电子元器件的种类繁多，相应的失效模式和机理也很多，本文归纳和总结电子元器件的 失效模式、分析和验证电子元器件的失效机理。针对失效模式和失效机理采取有效措施，是不 断提高电子元器件可靠性水平的过程。 关键词：电子元器件、可靠性、失效模式、失效机理 引言 电子元器件的失效主要是在产品的制造、试验、运输、存储和使用等过程中发生的，与原材料、设计、制造、使用密切相关。电子元器件的种类很多，相应的失效模式和机理也很多。失效模式是指失效的外在直观失效表现形式和过程规律，通常指测试或观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。失效机理是指失效的物理、化学变化过程，微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出的一系列宏观（外在的）性能、性质变化，如疲劳、腐蚀和过应力等。 从现场失效和试验失效中去收集尽可能多的信息(包括失效形态、失效表现现象及失效结果等)进行归纳和总结电子元器件的失效模式，分析和验证失效机理，并针对失效模式和失效机理采取有效措施，是不断提高电子元器件可靠性水平的过程。
1 集成电路失效模式和机理介绍 集成电路的主要失效模式有功能失效、参数漂移、短路、开路等。集成电路失效模式统计分布见图1。 图1 集成电路失效模式分布 集成电路的主要失效机理有： 1）过电应力（EOS）：是指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其允许的最大范围。 2）静电损伤(ESD)：微电子器件在加工生产、组装、贮存以及运输过程中，可能与带静电的容器、测试设备及操作人员相接触，所带静电经过器件 引脚放电到地，使器件受到损伤或失效 3）闩锁效应（latch-up）：集成电路由于过电应力触发内部寄生晶体管结构而呈现的一种低阻状态，这种低阻状态在触发条件去除或终止后仍会 存在。 4）电迁移（EM）：当器件工作时，金属互连线内有一定的电流通过，金属离子会沿导体产生质量的运输，其结果会使导体的某些部位出现空洞或 晶须。 5）热载流子效应（HC）：热载流子是指其能量比费米能级大几个kT以上的载流子。这些载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到或超过 Si-SiO 界面势垒时(对电子注入为3.2eV，对空穴注入为4.5eV)便会注 2 入到氧化层中，产生界面态、氧化层陷阱或被陷阱所俘获，使氧化层电 荷增加或波动不稳，这就是热载流子效应。
机械零件的主要失效形式有： 根断表面压碎表面点蚀塑性变形过量弹性形变共振过热和过量磨损等 平键按用途分为平键导键滑键 普通平键用于静联接，即轴与轴上零件之间没有先对移动。按端部形状不同分为A型（圆头） B型（平头） C型（单圆头） 3种 导键和滑键均用于动联接。导键适用于轴上零件轴向位移量不大的场合；滑键用于轴上零件轴向位移较大的场合。 平键的宽度应根据轴的直径选取 润滑剂的主要作用是减小抹茶，磨损，降低工作表面温度。 常用的润滑剂有：液体润滑剂，半固体润滑剂，固体润滑剂，气体润滑剂径向滑动轴承动压油膜的形成过程 静止时，轴与轴承孔自然形成油楔；刚启动，速度低。由于轴径与轴承之间摩擦，轴承沿轴承孔上爬。随着速度增大，被轴径带动起来的润滑油进入楔形间隙并产生东亚力将轴径推离，形成动压油膜。 提高螺纹连接强度的措施有： 1. 改善螺纹牙间的载荷分配; 2. 减小螺栓的应力幅 3. 采用合理的制造工艺（冷镦，液压，冷作硬化） 4. 避免附加弯曲应力 5. 减小应力集中的影响 6. 氰化氮化，喷丸等表面硬化处理 改善螺纹牙间的载荷分配，避免附加弯曲应力是针对静强度，其余是疲劳强度 当螺纹公称直径，牙型角，螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能好螺纹联接的主要类型有 1. 螺栓联接，常用语被联接件不太厚和周边有足够装配空间的场合 2. 双头螺栓联接，用于常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合 3. 螺钉联接，用于不经常装拆联接的场合 4. 紧定螺钉联接，多用于轴和轴上零件的联结，可传递不大的力和转矩 对于普通螺栓组联接，当被联接件受横向工作载荷作用时，其螺栓本身主要受拉应力。 带传动中的两种滑动 弹性滑动：带传动中，拉力差使带的弹性型变量变动，而引起带与带轮之间的相对滑动，称为弹性滑动。使带传动比不精确，且使带与带轮之间产生磨损； 打滑：当外界传递功率过大，所需有效拉力大于极限有效拉力时，带与带轮之间的显著滑动。使带传动失效，但起过载保护作用。 与V带传动相比，同步带传动最突出的优点是传动比准确 带传动的主要失效形式是：打滑和带的疲劳破坏。 带传动的计算准则是：保证工作时不打滑，并具有足够的疲劳强度。 带传动工作时所受的拉应力有： 拉应力（紧边拉应力，松边拉应力），离心拉应力（作用于带的全长）和弯曲应力（小带轮处的弯曲应力比大带论处的弯曲应力大。）最大应力发生在带的主动边刚绕上小带论处
FMEA（失效模式与影响分析） Failure Mode and Effects Analysis潜在失效模式与后果分析在设计和制造产品时，通常有三道控制缺陷的防线：避免或消除故障起因、预先确定或检测故障、减少故障的影响和后果。FMEA正是帮助我们从第一道防线就将缺陷消灭在摇篮之中的有效工具。 FMEA是一种可靠性设计的重要方法。它实际上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影响分析）的组合。它对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。及时性是成功实施FMEA的最重要因素之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。为达到最佳效益，FMEA必须在故障模式被纳入产品之前进行。 FMEA实际是一组系列化的活动，其过程包括：找出产品/过程中潜在的故障模式；根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险量化评估；列出故障起因/机理，寻找预防或改进措施。 由于产品故障可能与设计、制造过程、使用、承包商/供应商以及服务有关，因此FMEA又细分为设计FMEA、过程FMEA、使用FMEA和服务FMEA四类。其中设计FMEA和过程FMEA 最为常用。 设计FMEA（也记为d-FMEA）应在一个设计概念形成之时或之前开始，并且在产品开发各阶段中，当设计有变化或得到其他信息时及时不断地修改，并在图样加工完成之前结束。其评价与分析的对象是最终的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。需要注意的是，d-FMEA在体现设计意图的同时还应保证制造或装配能够实现设计意图。因此，虽然d-FMEA不是靠过程控制来克服设计中的缺陷，但其可以考虑制造/装配过程中技术的/客观的限制，从而为过程控制提供了良好的基础。 进行d-FMEA有助于： ·设计要求与设计方案的相互权衡； ·制造与装配要求的最初设计； ·提高在设计/开发过程中考虑潜在故障模式及其对系统和产品影响的可能性； ·为制定全面、有效的设计试验计划和开发项目提供更多的信息； ·建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统； ·为将来分析研究现场情况、评价设计的更改以及开发更先进的设计提供参考。 过程FMEA（也记为p-FMEA）应在生产工装准备之前、在过程可行性分析阶段或之前开始，而且要考虑从单个零件到总成的所有制造过程。其评价与分析的对象是所有新的部件/过程、更改过的部件/过程及应用或环境有变化的原有部件/过程。需要注意的是，虽然p-FMEA 不是靠改变产品设计来克服过程缺陷，但它要考虑与计划的装配过程有关的产品设计特性参数，以便最大限度地保证产品满足用户的要求和期望。 p-FMEA一般包括下述内容： ·确定与产品相关的过程潜在故障模式； ·评价故障对用户的潜在影响； ·确定潜在制造或装配过程的故障起因，确定减少故障发生或找出故障条件的过程控制变量；
失效分析的任务、方法及其展望 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。