失效分析-基本概念

《材料失效分析》材料失效分析概论随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的重视。

为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械构件的失效(断裂)现象进行了大量的分析和研究，日益完善了失效分析技术及其基本理论。

应用失效分析技术——可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及质量管理等方面工作;同时失效分析技术又是制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依据之一。

大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发展，都具有极其重要的作用。

一、失效的概念所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。

亦可称为故障或事故。

一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据:(1) 零件完全破坏，不能工作;(2) 严重损伤，继续工作不安全;(3) 虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。

上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。

二、失效的形式机械零部件最常见的失效形式有以下几种:1(断裂失效:通常包括塑性(韧性)断裂失效;低应力脆性断裂失效;疲劳断裂失效;蠕变断裂失效;应力腐蚀断裂失效。

2(表面损伤失效:通常包括磨损失效;腐蚀失效;表面疲劳失效3(变形失效:包括塑性变形失效;弹性变形失效同一种零件可有几种不同失效形式。

例如，轴的失效，可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形(弹性失稳)。

究竟以什么形式失效，决定于具体条件下，零件的哪种抗力最低。

因此，一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导失效的。

但它们可以组合为更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。

三、失效分析失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及变形等失效现象的特征1及规律，并从中找出产生失效主要原因的一门新的学科或分析技术。

也称之为故障分析或事故分析等。

失效分析是门多学科的边缘科学，它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。

1.2 失效分析的意义
可产生巨大的社会经济效益； 可产生巨大的社会经济效益； 有助于提高管理水平和促进产品质量提高； 有助于提高管理水平和促进产品质量提高； 有助于分清责任和保护用户（或生产者）利益； 有助于分清责任和保护用户（或生产者）利益； 为新产品开发提供依据； 为新产品开发提供依据； 是修订产品技术规范及标准的依据； 是修订产品技术规范及标准的依据； 促进材料科学与工程及其相关学科的发展。 促进材料科学与工程及其相关学科的发展。ຫໍສະໝຸດ 表2-1失效分析程序表
2.1 现场调查
• 目的是进一步了解与失效产品有关的背景资料和现场情况 （1）现场调查的内容 1）失效事件发生的时间，失效经过和现场环境，失效产品及相 关场合 2）失效部件损坏的程度及失效的顺序 3）残骸碎片与主体相对位置的分布，应绘制草图或照相 4）失效发生时的操作阶段，失效前有无反常或不正常的音响情 况，失效部件的质量情况 5）在服役中可能导致失效的任何差错 6）访问失效时的目击者，还应询问和听取与失效产品有关的人 员或其他能提供有用信息人员对失效事件的了解和看法
按照失效分析工作进行的时序（在失效的前后） 按照失效分析工作进行的时序（在失效的前后）和主要目 失效分析可分为事前分析 事中分析和事后分析。 事前分析、 的，失效分析可分为事前分析、事中分析和事后分析。 事前分析，主要采用逻辑思维方法（如故障树分析法、 事前分析，主要采用逻辑思维方法（如故障树分析法、事件时 序树分析法和特征—因素图分析法等），其主要目的是预防失 因素图分析法等）， 序树分析法和特征 因素图分析法等），其主要目的是预防失 效事件的发生。 效事件的发生。 事中分析，主要采用故障诊断与状态监测技术， 事中分析，主要采用故障诊断与状态监测技术，用于防止运行 中的设备发生故障。 中的设备发生故障。 事后分析，是采用实验检测技术与方法， 事后分析，是采用实验检测技术与方法，找出某个系统或零件 失效的原因。 失效的原因。 失效分析学的显著特点：一是实用性强， 失效分析学的显著特点：一是实用性强，即它有很强的生产使 实用性强 用背景，与国民经济建设存在着密切关系；二是综合性强，即 用背景，与国民经济建设存在着密切关系；二是综合性强， 综合性强 它涉及广泛的学科领域和技术部门 .

材料力学模型和失效分析方法材料力学模型和失效分析方法是材料科学与工程领域中非常重要的研究和实践内容。

通过建立适当的力学模型和采用合适的失效分析方法，可以揭示材料的力学行为和失效机制，为设计和制造高性能材料和组件提供科学依据。

本文将探讨材料力学模型和失效分析方法的基本概念、应用意义以及一些常见的模型和方法。

材料力学模型是描述材料的宏观力学行为的数学模型。

它通过几何形状、内部结构和材料特性等因素来描述材料的应力-应变关系。

材料力学模型可分为理论模型和经验模型两种。

理论模型是基于材料的微观结构和力学原理推导而来的，如弹性理论、塑性理论等。

经验模型是通过实验数据拟合得到的，对特定材料或特定条件下的力学行为进行近似描述。

常见的材料力学模型包括线性弹性模型、非线性弹性模型和塑性模型等。

线性弹性模型是最基本的材料力学模型之一。

它是建立在胡克定律的基础上，假设材料在小应变范围内具有线性的应力-应变关系。

这种模型适用于强度较高的刚性材料，如金属。

同样重要的是非线性弹性模型，它考虑了材料在大应变下的非线性行为。

这种模型常用于强度较低的柔性材料，如橡胶。

塑性模型则用于描述材料的可塑性行为，主要应用于塑性变形过程的分析和预测。

失效分析方法是在材料失效问题中应用的一系列分析技术。

它们通过观察、测试和计算等手段，对材料失效的机理进行研究和分析。

失效分析的目标是找出材料失效的原因和机制，以便采取相应的措施来避免或延缓失效。

常见的失效分析方法包括金相分析、断口分析和有限元分析等。

金相分析是通过对材料的显微组织进行观察和测试，来了解材料的组织特征和性能状况。

通过金相分析，可以得出材料的晶体结构、晶界、相含量和多相分布等信息，从而推断失效的机理和形态。

断口分析是通过对材料的断口形貌进行观察和分析，来了解材料失效的形式和机理。

不同的断口形貌反映了不同的失效方式，如脆性破裂、韧性断裂和疲劳断裂等。

有限元分析是一种基于数值计算的方法，通过模拟材料的力学行为和受力状态，预测材料的应力分布和变形情况。

* ASM Handbook, Vol.11: Failure Analysis and Prevention (10th Ed.), ASM International, 2002, p2884
1.2 失效分析的基本概念
● 失效的新定义*
失效 (failure) 是指产品因微观结构或外观形态
发生变化而不能满意地达到规定的功能。
1.2 失效分析的基本概念
■ 失效缺陷 失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。
比如：裂纹、腐蚀坑、磨损带、分层等。
■ 失效机理 失效机理是致使构件失效所发生的物理、化学
的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀模式 下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。
■ 失效起因 失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。
1.2 失效分析的基本概念
1.2. 2 失效分析的内容 失效分析是为失效的构件查明原因并采取预防措
施所进行的一切技术活动。它相当于材料诊断学，运 用各种分析仪器和方法，对断口（缺陷）进行综合分 析， 查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再发 生，故一般涉及五项内容： 1. 判定失效模式 （failure mode） 2. 界定失效缺陷 （failure defect） 3. 鉴定失效机理 （failure mechanism） 4. 确定失效起因 （failure cause） 5. 提出解决对策 （countermeasure）
1.1.2 主要特点 ห้องสมุดไป่ตู้效分析是一门面向工程实际、面向未来的学科，
它有二个基本特点： 1. 综合性：涉及许多学科和技术门类，学科交叉； 2. 经济性：与国民经济发展紧密相联，应用广泛。
1.1 失效分析概况
1.1.3 基本作用 ● 失效分析是综合运用材料基础知识和其他分析方