职业培训：失效分析知识.docx

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1、职业培训：失效分析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，它是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。目录1 .失效分析的基本概念11.1. 1.失效的分类21.2. 失效的发展过程31.3. 失效分析的实施步骤41.4. 小结42 .失效分析流程53 .失效分析方法53.1.前述53.2.失效模式诊断63. 3.失效原因诊断84. 4.失效机理诊断84.各种材料失效分析检测方法94. 1.PCB/PCBA失效分析94. 2.电子元器

2、件失效分析105. 3.金属材料失效分析115.4. 高分子材料失效分析124.5.复合材料失效分析134.6.涂层/镀层失效分析141.1. 分析的基本概念一般的，狭义上的失效指的是机电产品丧失功能的现象，而失效分析则是分析诊断失效的模式、原因和机理，研究采取补救预测和预防措施的技术活动和管理活动，同时，与之相关的理论、技术和方法相交叉的综合学科则称之为失效学。1.2.1.3. 失效的分类我们常说的失效从失效模式和失效机理上来说，一般按下述方法进行分类：1、断裂失效：断裂失效常分为韧性断裂和脆性断裂两类，而脆性断裂又分为低温脆性断裂、辐射脆化断裂、氢损伤（氢脆）、应力腐蚀、液态金属脆化、液体

3、侵蚀损伤、高温应力断裂（即蠕变断裂）、疲劳断裂这几种。2、非断裂失效：基本分为磨损失效、腐蚀失效、变形失效几种，磨损失效一般包含磨粒磨损、粘着磨损两种，腐蚀失效分为氧化腐蚀和电化学腐蚀两种，变形时效分为弹性变形和塑性变形失效两种。3、复合失效机理，顾名思义就是多种失效机理综合作用而成导致的失效，例如低周疲劳导致的断裂即是韧性断裂和疲劳断裂两种机理复合作用而成的，再如机件受高温应力+电化学腐蚀复合作用下，会出现烧蚀热蚀的失效现象等等。M颔骸漪飨褊1.4. 失效的发展过程产品失效的发展过程一般遵循“浴盆曲线”状，可以将其分为三个时期：1、早期失效期，即产品使用初期，由于设计缺陷或者制造缺陷而导致明

4、显的失效。2、偶然失效期，在理想状况下，产品是不应出现“失效”现象的，而由于环境、操作方法、管理不善等原因导致的潜在缺陷，会在某一时期导致偶然的失效，该阶段称为偶然失效期。3、磨损失效期，该阶段是产品在出现失效萌芽之后的曲线增长到最终失效期，又称为损耗失效。产品按照其失效发展过程分类对于可靠性工程来说是十分有用的。故障率海球吩蒯翁箫1.5. 失效分析的实施步骤1、保护失效现场；基本原则就是保护现场的一切证据维护其原状。2、侦察失效现场，收集背景材料；现场侦察并记录的项目包括但不限于以下内容：(1)失效部件及碎片的尺寸大小、形状和散落方位；(2)周围散落的金属屑、粉末、氧化皮、润滑残留物及一切可

5、疑物质等；(3)失效部件表面特征；(4)设备或部件的特征；(5)周围环境条件。3、听取操作人员及佐证人员描述失效现象：(1)制定失效分析计划；(2)执行失效分析计划；(3)综合评定失效分析结果；(4)研究补救措施和预防措施；(5)起草、评审并最终提出失效分析报告。1.6. 小结失效分析是对机电产品出现失效现象后的系统工作，它可以为后续的产品开发、设备运转及维护等方面提供技术基础和前提条件，是生产过程中的安全保障。2 .失效分析流程3 图1失效分析流程4 .失效分析方法3. 1.前述产品发生失效后，一旦达到不可接受的程度，就要开展失效分析。什么是不可接受的程度？两个标准，一是产品失效的后果很严重

6、，比如产品失效直接造成人身安全、重大财产损、严重环境污染等重大事故，不用说必须要进行失效分析，查明原因，明确责任，针对原因进行改进；二是产品失效的数量比较多，影响了企业利润，对那些多发的失效就要开展失效分析，查明原因，进行改进。所以失效分析其实是一个从失效模式到失效原因再到失效机理的诊断过程。失效分析方法的熟练运用高度依赖特定领域知识，如电子产品依赖电子学知识、机械产品依赖机械学知识。如果与医学进行类比的话，失效分析方法的细分可以类似于医院按照疾病种类划分科室的情况，比如内科（疾病）、外科（疾病）、肿瘤科等等。失效分析的机构相当于医院，失效分析的专家相当于医生。想要治好病（失效），必须先根据病

7、症（失效模式）查明病因（失效原因），再弄清病理（失效机理），才能对症下药（设计、工艺、使用、维修等方面的改进）。失效分析或失效诊断既依赖各专业学科领域的知识积累，更依赖失效分析机构、失效分析专家的经验积累。如果在一家各方面条件都非常优秀的失效分析机构里，长期从事某一领域的失效分析工作，熬成专家，那就是这个领域失效分析的牛人了，牛人再进阶，就是神人了。这种情景与“在最好的医院、最好的科室成为最好的医生”是相通的。虽然失效分析主要靠领域知识、领域机构和领域专家，但其也具有共性的方法论基础。钟群鹏院士在机电装备失效分析预测预防进展一一失效学体系的形成和发展一文中，以机电装备失效为例，说明了失效分析从

8、失效模式诊断到失效原因诊断再到失效机理诊断主的逐层深入的链条关系，试图给出失效分析的共性方法论。嗯，钟群鹏院士就是机械装备失效分析的神人。4. 2.失效模式诊断失效模式是指失效的表现形式，一般可理解为失效的类型。失效模式诊断是失效分析中首当其冲的重要问题，它对整个失效分析和预防决策来说，具有“定向”的作用。失效模式常可分为一级失效模式、二级失效模式、三级失效模式等。表1以机械装备的断裂失效和非断裂失效为例，逐层展开，介绍了不同种类失效的三级失效模式。表1仅仅是示意，实际情形要复杂的多。失效模式的诊断一般要求诊断到二级失效模式，甚至要求诊断到三级失效模式。一般情况下，二、三级的失效模式的诊断比一

9、级失效模式的诊断要难得多，但它们对失效原因的诊断以及失效机理的诊断是不可缺少的。特别需要指出的是，不同的失效模式，进行失效诊断的依据并不相同，如开展断裂失效模式诊断的依据有：(1)失效残骸根据残骸的轨迹、断口的宏观性质、断口的变形顺序等首先寻找破坏件(肇事件)，然后对首先破坏件的断口性质、裂纹走向、变形情况、痕迹来源、力学性能、显微组织、工艺过程、热处理状态等进行单项和综合的分析，对失效模式进行判断。(2)应力分析包括应力的来源、性质和大小的估算，特别是对首先破坏件的结构和受力的分析和估算、工况和环境分析，并与断口的定性和定量分析相对照，以及与仍在服役件的调查相结合进行综合分析，对失效模式进行

10、判断。(3)失效模拟对主要的失效模式和主要的控制或影响参量在实验室或现场进行模拟试验，并对模拟失效的断口与实际(肇事件)断口进行对比分析，对其失效模式进行判断。表1机电装备断裂失效和非断裂失效对应的三级失效模式一级失效模式二级失效模式三级失效模式韧性断裂失效脆性断裂失效疲劳断裂失效频高频疲劳失效率低频疲劳失效级失效模式二级失效模式三级失效模式高低混频疲劳失效应力大小高周疲劳失效低周疲劳失效高低周复合疲劳失效力源应来机械疲劳失效港曲疲劳失效扭转疲劳失效拉-拉疲劳失效接触疲劳失效热疲劳失效非断裂失效腐蚀失效均匀电偶缝隙孔蚀晶间选择冲蚀应力腐蚀储蚀或双金属腐蚀腐蚀腐蚀性浸出或气蚀腐蚀和氢损伤磨损失效

11、磨粒磨损失效黏着磨损失效疲劳磨损失效腐蚀磨损失效微动磨损失效变形失效要准确、清晰地开展失效模式诊断大多数情况下是一件十分困难又不得不做的艰苦工作。以磨损失效和腐蚀失效的诊断为例进行说明。磨损失效模式的诊断一般是依据：被磨损表面的形貌和亚表面层组织与性能的变化；磨屑形貌、磨屑成分组织结构的变化；磨损系统中各参量的关系和变化等。但由于磨损本身是一种伴随着摩擦的存在而存在的摩擦面材料的逐步损失、迁移或变形的过程，虽然一般认为有摩擦就有磨损，但磨损并不等于磨损失效。由磨损到磨损失效实际存在一个由量变到质变的转化，对于不同的机械、这种转化的分界点是不一样的。因此，磨损失效的失效点的判定问题，是磨损失效模

12、式的诊断与断裂失效模式的诊断之间一个明显的不同，也是磨损失效模式诊断的难题之一。这是磨损失效模式诊断中首先需要解决的问题之一。腐蚀失效过程的影响因素很多、随机性较强、实验室研究结果又与工程实际有较大差距。至今，对于腐蚀失效模式、原因和机理的诊断，基本上仍是唯象和定性的、经验的和统计的方法占支配地位，失效模式的诊断可分为定性诊断和定量诊断。定性诊断是模式诊断的基础和前提，定量诊断则是模式诊断的深入和发展。定性诊断的技术和方法主要用于一级失效模式的诊断，而定量诊断技术和方法则主要用于二级或三级失效模式的诊r断o定性诊断的技术和方法主要是依据失效残骸的分析，特别是肇事件的宏观断口分析的结果，进行判断

13、。而定量诊断的技术和方法则需要根据应力分析和失效模拟的结果进行判断。只有根据失效事故的具体情况，合理地选用定性和定量的技术和方法，才能根据单一的和综合的判据，对失效的一、二级甚至三级模式进行正确的、适时诊断。3. 3.失效原因诊断失效原因是指酿成失效事件的直接关键因素。失效原因也可分为一级、二级、甚至三级失效原因。一级失效原因，一般指酿成该失效事件的首先失效件（肇事件）失效的直接关键因素。按照其处于投付使用过程中的阶段或工序，可分为设计原因、制造原因、使用原因、环境原因、老化原因等。二级失效原因是指一级失效原因中的直接关键环节，如设计原因中又可分为设计原则、设计思路和方案、结构形状和受力计算、

14、选材和力学性能等次级原因。失效原因的诊断是失效分析和预防的核心和关键，它不仅是失效预防的针对性和有效性的重要前提和基础，而且它常与酿成失效事件的责任部门和人员相联系。因此，对失效原因诊断应该特别强调其科学性和公正性。失效原因诊断的思路和方法有不同的分类方法。按诊断采用的方法可以分为理化诊断方法和系统工程诊断方法。理化诊断方法又可分为以失效件（肇事件）的强度、生产工艺、服役条件和设备类别为主的诊断方法等。4. 4.失效机理诊断失效机理的诊断是指对失效的内在本质、必然性和规律性的研究，它是人们对失效性质认识的理论升华和提高。一个失效事件是外因和内因共同作用的结果。常把应力、温度、气氛介质等作为影响

15、失效的外因；而把材料的成分、组织、缺陷、性能和它们的表现当作影响失效的内因。失效的机理学就是内因和外因共同作用而最终导致失效事件发生的热力学、动力学和机构学，即研究失效内在的必然性和固有的规律性的学问。拿疾病来作比喻，失效模式相当于病症，失效原因是生病的原因，而失效机理则相当于病理。一个失效事件，在失效机理尚未揭示的情况下就得出失效模式和原因的诊断结论意见，很可能是不牢靠的，或者是不科学的，并有可能造成误判，因此，失效机理的诊断或研究是十分重要的，而且，只有揭示失效的必然性和规律性，才能真正做到对同类失效事件的有效预防，做到“举一反三”和“亡羊补牢”。失效机理诊断的基础是对失效机理的研究。失效机理的研究可分为宏观失效机理的研究(即失效的热力学和动力学研究)和微观失效机理的研究(即失效的微观机制理论和模型的研究按照研究尺度的大小，微观失效机理的研究又可分为细观尺度、分子尺度和原子尺度的研究。失效机理研究采用的方法可分为定性的方法和定量的方法。定量的方法又可分为确定型方法和概率型(或模糊型)方法。失效机理研究所采用的模型按所