失效分析技术及其应用_第一讲失效背景材料的收集

材料的失效分析◆失效机制，失效现象失效是指产品丧失规定的功能，而失效分析是指判断失效的模式，查找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动。

机械失效常常会出现多个机件发生失效,特别是机械事故发生的时候,往往有大量机件同时遭到破坏,情况相当复杂,而失效原因也错综复杂、多种多样。

因此,需要有正确的失效分析思路和合理的失效分析步骤。

美国《金属手册》认，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，但是已不能令人满意的实现预期的功能时（3）受到严重损伤不能可靠而安全的继续使用，必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换的。

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。

◆失效原因分析及过程1、保护失效现场保护失效现场的一切证据,维持原状、完整无缺和真实不伪,是保证失效分析得以顺利有效地进行的先决条件。

失效现场的保护范围视机械设备的类型及其失效发生的范围而定。

2、失效现场取证和收集背景材料失效现场取证应由授权的失效分析人员执行,并授权收集一切有关的背景材料。

失效现场取证可用摄影、录像、录音和绘图及文字描述等方式进行记录。

失效现场取证所应注意观察和记录的项目主要有:(1)失效部件及碎片的名称、尺寸大小、形状和散落方位。

(2)失效部件周围散落的金属屑和粉末、氧化皮和粉末、润滑残留物及一切可疑的杂物和痕迹。

(3)失效部件和碎片的变形、裂纹、断口、腐蚀、磨损的外观、位置和起始点,表面的材料特征,如烧伤色泽、附着物、氧化物和腐蚀生成物等。

(4)失效设备或部件的结构和制造特征。

(5)环境条件(失效设备的周围景物、环境温度、湿度、大气和水质)。

(6)听取操作人员及佐证人介绍事故发生时情况(录音记录)。

在观察和记录时要按照一定顺序,避免出现遗漏。

例如观察和记录时由左向右、由上向下、由表及里和由低倍到高倍等。

所应收集的背景材料通常有:(1)失效设备的类型、制造厂名、制造日期、出厂批号,用户、安装地点、投入运行日期、操作人员、维修人员、运行记录、维修记录、操作规程和安全规程。

第1章失效分析基本概念及方法分解第一章失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料记载的是在公元前2025年由巴比伦国王汉莫拉比撰写的法典中，而真正把失效分析作为仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段是应用于1862年建立了世界上第一个锅炉监察局。

失效分析走上系统化、综合化、理论化的新阶段是从20世纪中叶，随着微电子技术的异军突起开始的。

1.1失效分析基本概念各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其他形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。

当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件发生了失效。

失效分析的信息，客观上能够反映机械失效的起始、发展、变化和完成的全过程，以及导致这一失效运动的内、外原因和条件等等，通过与失效事件有关的各种途径传出，经过失效分析人员运用各种必要、可能的调查、检验等科学技术手段（借助科学仪器）等接收，产生回溯反馈，在人类已有失效规律和知识的基础上，就能较完整地在认识或实践上再现失效的全过程。

失效事件中的信息量，是由每个具体的失效过程所决定的，而接收这种失效信息多少，则取决于失效分析人员的专业水平和失效分析的科学技术水平。

零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。

（2）零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等。

（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。

国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）——产品丧失规定的功能。

对可修复产品，通常也称为故障。

”该定义中涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。

失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。

2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。

也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。

5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。

（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。

第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。

原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。

（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。

（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。

（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。

材料学中的失效分析与预测材料学是研究物质的结构、性质以及制备与应用的学科。

在材料科学与工程领域，人们常常关注材料的失效问题，即该材料在特定工况下无法满足设计所要求的性能。

为了准确理解和解决材料失效问题，失效分析与预测成为了重要的研究方向。

一、失效分析失效分析是指对材料发生失效的原因和机制进行研究和分析的过程。

通过失效分析，我们可以了解材料失效的各种类型和发生机理，为预测和预防失效提供依据。

失效分析通常包括以下几个步骤：1. 样品收集与准备失效分析首先需要收集失效的样品，通常是从实际工程中获得。

样品应该尽可能保持原貌，包括失效特征、工作环境等。

为了准确分析失效原因，还需要对样品进行必要的准备工作，如切割、抛光等。

2. 观察和表征失效样品需要通过显微镜、扫描电镜等工具进行观察和表征。

这些技术可以对样品的表面形貌、微观组织结构以及化学成分进行分析，从而揭示失效的本质和机制。

3. 失效模式与机理分析通过观察和表征，可以确定失效样品的失效模式和机理。

失效模式通常包括断裂、腐蚀、疲劳等，而失效机理则涉及材料的物理、化学性质以及外界环境等多个因素。

通过充分理解失效模式和机理，我们可以更好地预测和预防失效的发生。

4. 失效原因的确定根据失效模式和机理，结合实验与理论分析，可以逐步确定材料失效的具体原因。

这些原因可能包括缺陷、应力、环境因素等，需要综合考虑。

二、失效预测失效预测是根据材料在特定条件下的性能和可靠性，对其未来的失效行为进行预测和评估的过程。

失效预测可以帮助我们预先采取相应的措施，避免材料的失效，提高产品的可靠性。

1. 可靠性建模与评估失效预测首先需要建立可靠性模型，通过考虑材料的各种因素，如应力、温度、湿度等，来预测材料的可靠性。

可靠性评估可以基于统计学方法或物理机理等进行，以获得更准确的失效预测结果。

2. 仿真与模拟借助计算机仿真与模拟技术，可以对材料的失效行为进行模拟与预测。

通过建立数学模型和物理模型，考虑各种因素的影响，可以得到材料在不同条件下的失效情况，为工程设计和产品改进提供指导。

失效分析就是对失效的模具或工件的失效现象进行分析，以确定失效的原因，对如何防止失效推荐一个解决办法。

以下介绍两个美国公认的，也可以说是国际公认的失效分析步骤和序流程，以供参照：⒈Brooks失效分析程序⑴失效情况的描述必须以技术文件的形式记述失效的历史情况。

如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。

特别是有关的照片资料和多媒体资料；⑵裸眼观察失效件失效后的总体形貌也应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成任何损害；⑶机械设计分析（应力分析）当失效件是重要的承载构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。

这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因；⑷化学成分设计分析据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能；⑸制造过程及其各工艺环节分析错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等；⑹宏观断口形貌检查在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式；⑺微观断口分析包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。

通常都是采用电子显微镜检查；⑻金相检验金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。

金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供依据；⑼性能检验性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。

在不允许对失效件作破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等；⑽失效模拟模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。

这是非常昂贵但却很可信的试验，只有在特殊需要下才做；⒉ASM失效分析程序ASM是美国金属学会的缩写，ASM是金属失效分析行业的权威机构。

失效分析报告在各个领域，无论是科学研究、技术领域还是工业生产，都会遇到产品失效的问题。

在工程领域，失效分析报告是解决这一问题的一个重要工具，它能够通过对失效原因的深入分析和探索，为生产过程中的问题提供可靠的解决方案。

一、问题背景失效是指在使用过程中产生的不可修复的损坏或功能丧失。

它往往会导致产品的质量下降、生产延误以及公司声誉受损等问题。

因此，分析失效原因并提出解决方案变得至关重要。

二、失效分析方法1. 失效数据收集在进行失效分析前，首先需要收集相关数据，包括有关损坏部件、使用情况、操作记录等信息。

这些数据能够提供重要的线索，有助于分析人员找出失效原因。

2. 失效模式与机理分析通过对失效样本进行细致的观察和分析，可以发现不同的失效模式和机理。

例如，损坏的金属部件可能是由于材料疲劳、应力过大或工艺问题等原因引起的。

3. 实验验证与模拟仿真为了确认失效原因，需要进行实验验证或模拟仿真。

这些实验可以利用现有的设备和工具，以及先进的计算机模拟软件。

通过模拟分析，可以更好地理解失效机理，并提出相应的解决方案。

4. 根本原因分析在确定失效原因后，需要进一步深入分析，找出根本原因。

这需要考虑多个因素，包括设计、材料、工艺、装配等方面。

只有找到根本原因，才能采取针对性的措施，以避免类似失效问题再次发生。

三、解决方案基于失效分析报告，可以提出有效的解决方案。

这些解决方案可能涉及产品设计的改进、工艺调整、材料替换、操作规范等方面。

同时，还应该从供应链管理、维护保养等角度进行全面考虑，以确保问题得到根本解决。

四、效果评估对于提出的解决方案，需要进行效果评估。

通过实践验证和数据分析，可以判断解决方案的有效性和可行性。

如果问题得到解决，可以进一步总结经验教训，并在类似情况下进行借鉴。

五、案例分析以下是一个实际案例的失效分析报告：案例：某公司生产线上的机械装置频繁出现断裂现象。

1. 失效数据收集：分析人员收集了相关的使用记录、维护保养信息和操作员的工作情况。

失效分析操作指南编制：审核：批准：**通信技术有限责任公司2006-10-27实施失效分析操作指南一、制定失效分析项目计划书问题归属小组组长接到《失效分析任务书》后，成立失效分析小组，确定分析组组长，一般定为可靠性技术室成员，组长根据问题的性质类别，确定所需的人力资源。

在三个工作日内制订《失效分析项目计划书》，明确团队成员、成员分工、难点描述、实施计划及所需支持，交失效分析联络员备案。

填写《失效分析项目计划书》时，注意实施计划及进度，每一阶段每个成员的任务都应有明确规定，具体见附件一。

二、失效分析数据的收集器件的失效率：工程现场失效率、生产制程中的失效率（统计各个工位的失效率）；器件的失效现象：功能失效和外观状态等；失效背景：失效发生的时间、地点等；器件的批次：器件的批次、库存时间；焊接条件：焊接厂家、批次、时间；库存品存储条件：温度、湿度、包装、防静电等；失效器件的MSD、ESD等级；器件的规格书等。

在该器件或模块的官方网站上查看相关的PCN协议以及质量测试报告。

具体填写方式见《失效分析作业流程》中的“失效分析数据收集表”。

三、失效分析样品收集失效分析样品收集：原则上是提交失效分析申请时应该已经收集了，但是在样品收集的过程中可能会破坏样品的原始状态。

失效器件的拆卸必须在EPA一级区进行，拆卸时必须佩带防静电腕带、穿戴防静电服装、穿戴防静电鞋及鞋套、佩带防静电指套、进行离子风浴等防静电措施；未采取防静电措施的人员不得接触ESSD及其部件。

如有条件，失效分析样品的拆卸尽量在拆卸台上进行。

MSD器件样品拆卸时请注意：1、用电烙铁拆卸器件时，电路板不需烘烤，可以直接拆卸，烙铁头温度不超过300O C，时间4至6秒；2、用热风枪拆卸器件时，若拆卸时热风温度超过200O C，则要对器件预先进行烘烤；2.1、电路板烘烤温度和时间必须满足被拆卸器件的烘烤温度及时间的标准要求；2.2、电路板烘烤温度和时间需根据被烘烤器件潮敏等级、电路板材及对温度最敏感器件等因素综合决定（参见J-STD-033B中的表4-1）；2.3、电路板烘烤时，对板上可以直接取下的连接器、扣板等，在烘板前应先取下来；2.4、若电路板和器件可以承受125℃的高温烘烤，则可直接用该温度进行烘烤；若板上个别器件不能承受125℃的高温烘烤，且器件易拆卸和易装配，则可拆卸这些对温度敏感的器件后，再用125℃对电路板进行烘烤。