2失效分析基础知识解析

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。

1 引言机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。

非断裂失效一般包括磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。

断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效,其分类比较复杂,一般有如下几种:(1)按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂;(2)按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂;(3)按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。

在失效分析实践中大都采用这种分类法。

断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等)等之间的关系,揭示断裂失效机理、原因与规律,进而采取改进措施与预防对策。

从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案例分析。

2 韧性断裂失效分析2.1 概述韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,在断裂部位出现较为明显的塑性变形。

在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。

在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失效。

但是,由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中,存在着众多环节和各种复杂因素,因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。

2.2 韧性断裂机理与典型形貌工程材料的显微结构复杂,特定的显微结构在特定的外界条件(如载荷类型与大小,环境温度与介质)下有特定的断裂机理和微观形貌特征。

金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。

2.2.1 滑移分离韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。

过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。

因此有必要对滑移分离加以叙述。

失效分析基础知识失效分析（Failure Analysis）是指通过对被测设备或系统内部的失效原因进行分析和研究，找出导致失效的根本原因，并提出相应的改进措施，以避免或减少同类失效事件的再次发生。

失效分析是现代工程领域中非常重要的一项技术，能够提高产品质量和可靠性，减少故障率，降低生产成本，延长设备的使用寿命。

失效可以分为两大类，一类是功能失效，指的是设备或系统无法按照设计要求完成其功能；另一类是物理失效，指的是设备或系统的一些或多个组成部分发生破坏、损坏或失效。

失效分析主要针对物理失效进行研究，通过对失效物理机制和失效模式进行分析，找出可能导致失效的根本原因，然后推导出失效的关键因素，并提出相应的改进方案。

失效分析的基本原则包括以下几点：1.收集失效信息：通过调查、询问用户、现场观察等方式，收集尽可能多的失效信息，包括失效模式、失效时间、失效环境等。

2.分析失效机理：通过对失效物理机制的研究，找出导致失效的根本原因。

失效机理可以通过物理实验、数值模拟等方式进行研究。

3.分析失效模式：失效模式是指设备或系统在失效前的状态和失效后的状态之间的差异。

通过对失效模式进行分析，可以找出导致失效的关键因素。

4.分析失效的关键因素：通过对失效模式和失效机理的分析，推导出导致失效的关键因素。

关键因素可以是设计缺陷、制造缺陷、材料问题、操作错误等。

5.提出改进措施：根据分析结果，提出相应的改进措施，包括设计改进、制造改进、材料改进、操作改进等。

改进措施应该能够消除或减少导致失效的关键因素，从而提高设备或系统的可靠性和安全性。

失效分析常用的方法和技术包括材料分析、断口分析、显微分析、化学分析、热分析、电子显微镜观察等。

这些方法和技术可以帮助工程师深入了解失效的原因和机制，从而提出有效的改进措施。

失效分析在工程领域中具有广泛的应用，包括电子设备、机械设备、化工设备、航空航天设备等各个领域。

通过对失效进行分析和研究，可以提高产品的可靠性和质量，减少故障率，降低生产成本，延长设备的使用寿命。

失效分析基础知识失效分析基础知识钟群鹏(北京航空航天大学，北京100083)1基本概念1.1失效和失效分析产品丧失规定的功能称为失效。

判断失效的模式，杏找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。

1.2失效和事故失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态。

失效和事故常常有一定的因果关系，但两者没有必然的联系。

1.3失效和可靠失效是可靠的反义词。

机电产品的可靠度R(t)是指时间t内还能满足规定功能产品的比率，即n(t)/n(0),n(t)为时间t内满足规定功能产品的数量,n(0)为产品试验总数量。

累积失效概率F(t)就是时间t 内的不可靠度,即F(t)=I-R(t)=[n(0)-n(t)]/n(0)o1.4失效件和废品失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件，而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。

废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。

1.5失效学研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。

失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。

2失效的分类2.1按功能分类由失效的定义可知，失效的判据是看规定的功能是否丧失。

因此，失效的分类可以按功能进行分类。

例如，按不同材料的规定功能可以用各种材料缺陷(包括成分、性能、组织、表面完整性、品种、规格等方面)来划分材料失效的类型。

对机械产品可按照其相应规定功能来分类。

2.2按材料损伤机理分类根据机械失效过程中材料发生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特征差异，可以分类如图1所示。

图1失效的分类2.3按机械失效的时间特征分类(1)早期失效可分为偶然早期失效和耗损期失效。

(2)突发失效可分为渐进(渐变)失效和间歇失效。

2.4按机械失效的后果分类(1)部分失效(2)完全失效(3)轻度失效(4)危险性(严重)失效(5)灾难性(致命)失效3失效分析的分类失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为：(1)狭义的失效分析主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。

失效分析机电工程学院何敏U n R e g i s t e r e d“失效分析”课程简介对广大同学而言，失效和失效分析也许是一个陌生的概念。

然而在我们的周围，大到各种机械零件，工程设备，运输机械，锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，不管你意识到没有，失效却总是在发生着。

失效——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它材料形成的构件（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，则称该零件失效。

失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有效地避免或减少这些损失。

U n R e g i s t e r e d11零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：失效failure“失效”与“事故”要区分“失效”与“事故”，这是两个不同的概念。

事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。

同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。

（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；（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。

U n R e g i s t e r e dU n R e g i st e r e dderetsigeRnUderetsigeRnU“失效分析”课程简介通常是指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。

就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。

有关常见材料失效模式及分析手段的基础知识失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。

在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。

失效分析流程啦加工和服役历史 现场调查及残髓分析判断首先破坏件^∣~j 初步观察制定分析方案II制一复型及截一试样口定观断口分析H 我分析I 金相分析I 分或新「分J化学成分分析 常班力品主一熹一］［综乎析］PCB 作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为 重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性I爆板、分层、短路、起泡，焊接不良，腐蚀迁移等。

确定失效原因I 提出改道指檐III 曲& I(1)无损检测：外观检查，X射线透视检测，三维CT检测，c-SAM检测，红外热成像(2)表面元素分析：扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS)显微红外分析(FTIR)俄歇电子能谱分析(AES)X射线光电子能谱分析(XPS)二次离子质谱分析(TOF-SIMS)(3)热分析：差示扫描量热法(DSC)热机械分析(TMA)热重分析(TGA)动态热机械分析(DMA)导热系数(稳态热流法、激光散射法)(4)电性能测试：击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移(5)破坏性能测试：染色及渗透检测电子元器件技术的快速发展和可靠性的提高奠定了现代电子装备的基础，元器件可靠性工作的根本任务是提高元器件的可靠性。

开路，短路，漏电，功能失效，电参数漂移，非稳定失效等（1）电测：连接性测试电参数测试功能测试（2）无损检测：开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）微区分析技术（FIB、CP）（3）制样技术：开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）微区分析技术（FIB、CP）（4）显微形貌分析：光学显微分析技术扫描电子显微镜二次电子像技术（5）表面元素分析：扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS）俄歇电子能谱分析（AES）X射线光电子能谱分析（XPS）二次离子质谱分析（SlMS）（6）无损分析技术：X射线透视技术三维透视技术反射式扫描声学显微技术（C-SAM）随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业、科技以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，因此金属材料的质量应更加值得关注。

第一章1、零件失效：当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。

2、零件失效的含义：1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。

2）.零件在外部环境下作用下，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，如由于腐蚀导致尺寸超差等。

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。

3、失效分析：通常是指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，也就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

4、失效分析可分为事前分析、事中分析、事后分析。

5、失效分析的社会经济效益：（1） 失效将造成巨大的经济损失。

（2） 质量低劣、寿命短导致重大经济损失。

（3） 提高设备运行和使用的安全性。

第二章1. 工程构件的失效分为断裂、磨损、腐蚀三大类。

2. 失效形式分类及原因（表2-1P18）3. 失效来源包括1.设计的问题2.材料选择上的缺点3.加工制造及装配中存在的问题4.不合理的服役条件4. 应力集中：零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中。

表示应力集中大小的系数称为应力集中系数。

5. 缺口敏感性NSR=σNb/σb（σNb表示缺口式样抗拉强度，σb表示光滑试样抗拉强度）比值NSR越大，敏感性越小。

当NSR>1时，说明缺口处发生了塑性变形的扩展，比值越大说明塑性变形扩展越大，脆性倾向越小。

塑性材料的NSR>1，材料反而具有缺口强化效应，缺口敏感性小甚至不敏感。

NSR<1，说面缺口处还未发生明显塑性变形扩展就脆断，表示缺口敏感。

6. 内应力通常分为3类：第一类内应力（宏观应力）是指存在于物体或者在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上；第二类内（微观）应力是指在晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸为10-1~10-2mm；第三类（微观）应力是在原子尺度范围保持平衡的应力，尺寸为10-3~10-6。