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1、失 效 分 析 基 础,陶春虎中国航空工业集团公司失效分析中心,第二讲 失效分析的基本理论和技术,1.痕迹分析,1.痕迹分析的作用和意义,痕迹：环境作用于系统，在系统表面留下的标记对事故和失效的发生、发展过程作出判断为分析结论提供可靠的依据在机械失效时，定义中的“系统”便是“机械”，而“环境”中的力学、化学、热学、电学等因素“作用”于机械，在机械表面及表面层所留下的损伤性标记，便是痕迹。,1.痕迹分析的作用和意义,痕迹标记：包括表面形貌(花样)、成分(或材料迁移)、颜色、表层组织、性能、残余应力以及表面污染状态等的变化。痕迹分析：对上述变化特征进行诊断鉴别，并找出其变化的过程和原因，为事故和机
2、械失效分析提供线索和证据。,机械接触痕迹 腐蚀痕迹 电侵蚀痕迹 污染痕迹,2.痕迹的分类,根据痕迹形成机理和条件的不同，痕迹分成以下几类：,分离物痕迹 热损伤痕迹 加工痕迹,压入性机械痕迹,3.机械接触的损伤痕迹,造痕物压入留痕物时，法向载荷的作用缓慢而持续，保持较长时间的接触状态或接触面不再分离(即静态接触)，变形速度一般较小，这时留下的痕迹称为压入性机械痕迹简称为压痕(或压印)。,一般形貌比较规则，与造痕物的接触部位的形状比较吻合在有些情况下仍能保留机件原始的表面加工痕迹，压痕的边界比较清晰在垂直表面的方向上的变形最大在机械加工过程中留下的有害压印痕，是机械失效的重要原因之一。,3.机械接
3、触的损伤痕迹,压入性机械痕迹的特点：,在摩擦过程中形成的（没有摩擦，就不会产生滑动性的机械痕迹）亦可称为摩擦痕迹，它是摩擦过程的真实记录。,滑动性机械痕迹,3.机械接触的损伤痕迹,a.犁痕(即划痕)：包括犁皱痕迹、犁削痕迹和犁碎痕迹 b.粘着痕迹 c.摩擦疲劳痕迹 d.摩擦腐蚀痕迹(复合型),滑动性机械痕迹的分类,3.机械接触的损伤痕迹,4.电接触损伤痕迹,主要包括:电腐蚀(电侵蚀）痕迹电腐蚀（表面）损伤痕迹电接触粘附电磨损痕迹静电痕迹,5.热损伤痕迹,热冲击 具有如下一些痕迹特征：表面可能烧熔，出现铸态熔坑、几何花样、交叉滑移表面烧蚀变色，失去金属光泽表面龟裂，萌生热疲劳裂纹，并且出现多条热
4、疲劳裂纹,5.热损伤痕迹,热磨损当固体物体相互滑过时，甚至在中等负荷和速度下都可能产生非常高的表面温度。低熔点金属的热污染低熔点金属受热液化时若与固体金属表面直接接触，常使该固体金属浸湿而脆化，在拉伸应力的作用下，从表面起裂，而裂纹尖端吸附低熔点液态金属原子，进一步降低固体金属的晶体结合键强度，导致裂纹脆性扩展。常导致接触金属的脆性断裂，一般称作液态金属脆。,6.痕迹分析的一般程序,寻找、发现和显现痕迹痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存鉴定痕迹进行针对性的检验，一般原则是由表及里，由简而繁，先宏观后微观，先定性后定量遵循形貌成分组织结构性能顺序痕迹的模拟再现试验综合性分析做分析结论并写出
5、有建设性意见的报告,2.裂纹分析,第二讲 失效分析的基本理论和技术,裂纹和断口是表述断裂失效过程不同阶段的术语。在力的作用下，零件表面或内部的连续性遭到破坏而未最终破断之前称为裂纹，最终破断的断裂面称为断口。断裂经历裂纹的萌生、扩展直至最终破断等不同阶段。,断裂过程的每一阶段会在断口上留下相应的痕迹、形貌与特征。断口和裂纹分析就是通过对这些痕迹、形貌与特征的观察、鉴别及分析，揭示出断裂过程的相关因素，从而判明断裂失效的性质与机理。断口和裂纹分析是断裂失效分析的基础。,裂纹深度与断裂强度的经验公式断裂强度c与裂纹深度a的平方根成反比：或 K非一般的比例常数，它表达了裂纹前端的力学因素，反映材料抵
6、抗脆性断裂能力的一个断裂韧性指标。,1.裂纹分析的力学基础,断裂韧性的基本概念(1)平面应力和平面应变的概念,（a）带缺口的拉伸试样（b）平面应力状态（Z=0）（c）平面应变状态（Z=0）,分析首断件的原则,当各断裂件中，既有延性断裂，又有脆性断裂时，一般脆性断裂件发生在前，延性断裂件发生在后；当各断裂件中，既存在脆性断裂件，又存在疲劳断裂件时，则疲劳断裂件应为首断件；当存在两个或两个以上的疲劳断裂件时，低应力疲劳断裂件出现在前，而大应力疲劳断裂件出现在后；当各断裂件均为延性断裂时，则应根据各零件的受力状态、结构特性、断裂的走向、材质与性能等进行综合分析与评定，找出首先断裂失效件。,2 首断件
7、的判定,案例：,2002年某燃机热电厂燃气轮机发生事故。分解检查发现有一片一级压气机动叶片从叶根处断裂（1），其余一级动叶片全部严重打伤。,燃气轮机叶片损伤情况,案例：,1叶片有两个源区，一处在叶盆侧中部，一处在排气边附近。1叶片断面上有明显的疲劳弧线；1叶片瞬断区面积所占断面总面积的比例较小，两个疲劳区扩展的很充分；进气导叶和其它压气机叶片呈瞬断或被打伤，损伤程度从第1级到第17级逐渐减弱。,1叶片断口疲劳区形貌,1叶片为首断件，同时也是燃机致损的肇事件,3 主裂纹及裂纹源的判断,在机械事故分析中，当残骸拼凑之后，经常会碰到在同一失效件上出现多条裂纹，这就要求从中准确地找出首先开裂的部位主裂
8、纹。,(a)“T”型法,3 主裂纹及裂纹源的判断,(b)分叉法,（c）变形法 变形量大的部位为主裂纹，其它部位为二次裂纹,3 主裂纹及裂纹源的判断,（d）氧化颜色法 氧化腐蚀比较严重、颜色较深的部位是主裂纹部位 氧化腐蚀较轻、颜色较浅的部位是二次裂纹的部位（e）疲劳裂纹长度法 疲劳裂纹长、疲劳弧线或条带间距密者，为主裂纹或主断口，反之为次生裂纹或二次断口。,3.断口分析,第二讲 失效分析的基本理论和技术,断口分析一般包括宏观分析与微观分析两个方面前者系指用肉眼或40倍以下的放大镜、实体显微镜对断口进行观察分析，可有效地确定断裂起源和扩展方向后者系指用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等对断口进行观
9、察、鉴别与分析，可以有效地确定断裂类型与机理,宏观分析和微观分析是不可分割的整体，二者不可互相取代，只能互相补充、相互促进。断口分析技术一般应包括分析对象的确定与显示技术、观察与照相记录技术、识别与诊断技术，定性与定量分析技术以及仪器与设备的使用技术等。,1 断口观察的原则,目的性与客观性全面性和典型性受动性与主动性感性因素与理性因素,2 断口宏观分析,断口宏观分析：指在各种不同照明条件下用肉眼、放大镜和体视显微镜等对断口进行直接观察与分析。主要任务：确定断裂的类型和方式，为判明断裂失效的模式提供依据 寻找断裂起源区和断裂扩展方向 估算断裂失效件应力集中的程度和名义应力的高低 观察断裂源区有无
10、宏观缺陷等,步骤：用肉眼观察断面形貌特征及其失效件的全貌 包括断口的颜色变化，变形引起的结构变化，断口附近的损伤痕迹等。2.对主要的特征区用放大镜和体视显微镜进行进一步的观察 确定重点分析的部位。,重点注意观察以下七个方面的特征：断口上是否存在放射花样及人字纹断口上是否存在弧形迹线断口的粗糙程度断面的光泽与色彩断面与最大正应力的交角(倾斜角)断口特征区的划分和位置、分布与面积大小等材料缺陷在断口上所呈现的特征,3 断口的微观分析,主要指借助于显微镜对断口放大后进行的观察 分为直接观察法与间接观察法两种 直接观察法主要是使用体视显微镜、光学显微镜和电子显微镜对实际断口进行的直接观察。间接观察法主
11、要指复型观察法，即以断口为原型，用一种特殊的材料制成很薄的断口“复型”，然后用显微镜对复型进行观察分析，以揭示断口特征的分析方法,4 断口的特殊分析,在断口的分析中，可采用某些特殊的分析技术，其中主要的有断口剖面分析、断口蚀坑分析、断口定量分析、断口浮凸测量等。,断口剖面截取示意图(a)平行裂纹方向的截取(b)垂直裂纹方向的截取,5 断口的定量分析,（相关章节会进行详细讲解）,4.失效预防与失效评估,第二讲 失效分析的基本理论和技术,4 失效预防与失效评估,事故或失效后分析非常重要，必需分析失效性质和原因，解决问题，预防类似事故的重复发生，以免造成更大的损失。但是，一旦造成失效必定造成不同程度
12、上的损失，有些事故要从根本上进行解决需要付出诸如改进设计、更换材料等巨大代价。,事后分析,事前预防,4 失效预防与失效评估,4 失效预防与失效评估,中国有很多古训，强调了安全预防的重要性，在现实生活中也具有重要的指导作用:“万事防为先”、“防患与未然”、“防微杜渐”、“防火重于灭火，隐患险于明火”。但是，在实际生活中，人们总是把解决危机的“灭火者”、“抗洪救灾者”看成英雄，而对于那些预先消除火灾隐患以及那些植树种草预防水土流失的无名英雄却不屑一顾。,古代扁鹊,4 失效预防与失效评估,预防失效需从设计、材料质量与可靠性入手，从源头解决，在设计和研制阶段就要对关键件和系统进行安全和失效评估。,大型
13、构件,设计,制造,装配,使用,维护,存在不确定性因素,外力,工况不同而变,偶然因素的影响,构件的抗力,材料组织不均匀,内部缺陷随机分布,加工制造不一致,4 失效预防与失效评估,偶然性,必然性,构件失效,任何偶然性造成的随机性在子样大时总体上必然服从某些统计规律,为构件安全可靠性评估提供了基础,4 失效预防与失效评估,传统的安全寿命设计,经典疲劳强度理论,损伤容限设计,耐久性设计,4 失效预防与失效评估,要求结构在一定的使用期间内不产生疲劳裂纹；以裂纹萌生作为寿命的终结，而未计及裂纹扩展寿命；未考虑在使用期间内如何实施检修制度，以排除可能出现的意外损伤和初始缺陷；,4 失效预防与失效评估,传统的
14、安全寿命设计,安全寿命设计并不能保证安全,许多疲劳裂纹,并未造成事故，但却严重影响飞行训练,需对结构进行复杂的检测和维修，使飞机的经济性变差,可能因少数飞机的个别部件裂纹不可修理,而使大批飞机提前退役,更会造成极大的资源浪费,4 失效预防与失效评估,经典疲劳强度理论,名义应力应变法、局部应力应变法,在结构使用期间内允许存在初始缺陷或出现疲劳裂纹保证裂纹扩展速率较慢使含裂纹结构有足够的剩余寿命和剩余强度持续工作，直至下次检修时能够发现予以修复或更换不至由于裂纹对强度削弱过多而造成事故,损伤容限设计原则在寿命预估中未考虑裂纹的萌生阶段,4 失效预防与失效评估,损伤容限设计,建立在安全寿命设计基础之
15、上吸收了损伤容限设计的优点引入了经济维修的概念利用“概率”方法估算结构使用寿命及维修周期,4 失效预防与失效评估,耐久性设计,4 失效预防与失效评估,当量初始裂纹尺寸概率分布：实际构件或材料中必然存在某些微观缺陷和宏观缺陷，由该缺陷或裂纹扩展至临界裂纹的寿命为构件的总寿命。,原始疲劳质量模型,4 失效预防与失效评估,英国PD6493的额质量带标准：首先用无损检测方法检测体积型缺陷的性质和大小，得到焊接结构件的实际质量等级;由该结构所要承受载荷大小和所要求的服役寿命，得到该结构所要求的质量等级;如果实际质量等级小于或等于所要求的质量等级，则结构是可靠的。,4 失效预防与失效评估,基于初始疲劳质量
16、和裂纹扩展速率的构件寿命估算方法：a N=a0i+aia0i=aN-ai,4 失效预防与失效评估,Frost-Bugdale寿命预测模型Ln(a)=N+ln(a0)或a=a0eN,4 失效预防与失效评估,应力-强度分布干涉理论：结构要能可靠地使用，其强度必须超过外载引起的总应力。,一维动态应力-强度干涉模型,失效评估的基本方法,4 失效预防与失效评估,4 失效预防与失效评估,失效预防与失效评估举例,某型咖啡壶失效评估,4 失效预防与失效评估,某型咖啡壶美国设计、国内生产、美国销售，已经通过十三类国际电气认证。生产厂商寻求通过失效评估手段对该产品进行安全性及功能性评估。,某型咖啡壶失效评估,分解
17、、剖析对咖啡壶各元、器件的特性、工作原理与过程进行研究 模拟试验对整个系统的工作流程进行实测 预制失效对系统的应激反应进行监测 元件性能检测,4 失效预防与失效评估,采用预先危险分析、失效模式与效果分析和故障树分析等失效评估方法，对咖啡壶系统进行了失效评估。,故障树-咖啡壶高温高压蒸汽泄漏,热电偶失效预制 蒸汽涌出情况,结论该咖啡壶部分部件由于材料加工工艺问题存在安全隐患。,4 失效预防与失效评估,失效模拟试验（FSTA）,针对FMEA的预测结论进行失效预制，并监测系统的应激反应，以暴露出系统存在的隐患。,分析结论异常的剧烈振动是导致导管从焊缝区疲劳开裂的根本原因。最终确定故障与某活门状态及导
18、管的连接方式有关。,该型机为了解决输油卡滞故障对某活门状态进行了更改，虽然改善了卡滞故障，但在大输油流量下，活门的频繁打开与关闭使系统产生较大冲击，而冲击压力波与燃油流动耦合引起了系统阵发高过载振动。,4 失效预防与失效评估,某型飞机燃油导管裂纹漏油故障,故障简介某型飞机装备部队两年间，共有6架飞机发生燃油导管裂纹故障14起，严重影响了飞行安全。,型号研制时间紧、任务重，新技术、新工艺、新产品大量应用，由于设计初期对工艺和产品缺乏必要的失效评估，导致该飞机在部队的领先使用中暴露了大量成品及系统故障。设计改进在改善某些方面的性能的同时也可能导致其它方面性能的恶化，所以失效评估十分必要。如果在设计
19、初期就对活门和油管连接方式进行系统的失效评估，此类故障完全可以避免。,4 失效预防与失效评估,某型飞机燃油导管裂纹漏油故障,启 示,故障简介：某型发动机在进行150h摸底试验时发生故障，压气机部件损坏严重，二、三级转子叶片全部从根部断裂，离心叶轮也发生严重损伤。发动机累计运转时间67h11min。发动机总运行89h47min。故障压气机二、三级盘和离心叶轮所用材质均为TC11钛合金，按照GJB2220-94标准进行验收。,4 失效预防与失效评估,发动机压气机钛合金整体叶轮叶片断裂,4 失效预防与失效评估,故障简介：某型飞机在空中飞行时听到一响声，飞机飞回检查发现，左侧进气道后调节板壁板前缘断裂
20、，除在发动机内部找到一小块前缘残骸外，其它残骸均未找到。,4 失效预防与失效评估,某型飞机进气道调节板前缘断裂分析,分析结论：调节板壁板气流表面与横梁交界处的断裂为首先破坏的位置，然后在金属铆接与壁板气流表面交界处发生断裂造成调节板壁板气流表面与横梁交界处发生断裂的原因：该位置是结构和工艺的薄弱部位，主铺层组与弯曲铺层组之间可能的缺陷使得该部位发生断裂,4 失效预防与失效评估,进气道调节板表面与横梁的交界处T型铺层是工艺难点，容易产生缺陷，在设计上主要考虑强度而忽视了可能产生的工艺问题，而没有进行加固。设计环节对加工和使用考虑的不足常常是造成失效的根本原因，如果加强早期的失效评估，对设计有效性进行验证，可以有效的预防这类问题的出现。,4 失效预防与失效评估,启示：,失效分析常用的检测技术 及选用原则,第二讲 失效分析的基本理论和技术,失效分析中所用的实验检测技术种类繁多，涉及到物理、化学、力学、电子学等各种学科和技术领域中的一些专门测试技术，其中金相检验、成分分析、无损检测和常规性能测试等实验检测及分析技术应用更为常见。在进行某项具体的失效分析时，究竟应该选用哪些检测技术，一般说来，应根据失效现象的复杂程度，同时考虑失效分析的深度、时间性和经济性，有效而经济地选用检测技术。,
