失效分析在生產(chǎn)建設(shè)中極其重要,失效分析的限期往往要求很短,分析結(jié)論要正確無誤,改進(jìn)措施要切實(shí)可行。

　　1 失效分析思路的內(nèi)涵

　　失效分析思路是指導(dǎo)失效分析全過程的思維路線,是在思想中以機(jī)械失效的規(guī)律(即宏觀表象特征和微觀過程機(jī)理)為理論依據(jù),把通過調(diào)查、觀察和實(shí)驗(yàn)獲得的失效信息(失效對象、失效現(xiàn)象、失效環(huán)境統(tǒng)稱為失效信息)分別加以考察,然后有機(jī)結(jié)合起來作為一個(gè)統(tǒng)一整體綜合考察,以獲取的客觀事實(shí)為證據(jù),全面應(yīng)用推理的方法,來判斷失效事件的失效模式,并推斷失效原因。因此,失效分析思路在整個(gè)失效分析過程中一脈相承、前后呼應(yīng),自成思考體系,把失效分析的指導(dǎo)思路、推理方法、程序、步驟、技巧有機(jī)地融為一體,從而達(dá)到失效分析的根本目的。 http://www.kekaoixng.com

　　在科學(xué)的分析思路指導(dǎo)下,才能制定出正確的分析程序;機(jī)械的失效往往是多種原因造成的,即一果多因,常常需要正確的失效分析思路的指導(dǎo);對于復(fù)雜的機(jī)械失效,涉及面廣,任務(wù)艱巨,更需要正確的失效分析思路,以最小代價(jià)來獲取較科學(xué)合理的分析結(jié)論?？傊?掌握并運(yùn)用正確的分析思路,才可能對失效事件有本質(zhì)的認(rèn)識,減少失效分析工作中的盲目性、片面性和主觀隨意性,大大提高工作的效率和質(zhì)量。因此,失效分析思路不僅是失效分析學(xué)科的重要組成部分,而且是失效分析的靈魂。

　　失效分析是從結(jié)果求原因的逆向認(rèn)識失效本質(zhì)的過程,結(jié)果和原因具有雙重性,因此,失效分析可以從原因入手,也可以從結(jié)果入手,也可以從失效的某個(gè)過程入手,如“順藤摸瓜”,即以失效過程中間狀態(tài)的現(xiàn)象為原因,推斷過程進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果,直至過程的終點(diǎn)結(jié)果“;順藤找根”,即以失效過程中間狀態(tài)的現(xiàn)象為結(jié)果,推斷該過程退一步的原因,直至過程起始狀態(tài)的直接原因“;順瓜摸藤”,即從過程中的終點(diǎn)結(jié)果出發(fā),不斷由過程的結(jié)果推斷其原因“順;根摸藤”,即從過程起始狀態(tài)的原因出發(fā),不斷由過程的原因推斷其結(jié)果。再如“順瓜摸藤+順藤找根”、“順根摸藤+順藤摸瓜”、“順藤摸瓜+順藤找根”等。

　　2 失效分析的主要思路

　　常用的失效分析思路很多,筆者介紹幾種主要思路。

　　2.1 “撒大網(wǎng)”逐個(gè)因素排除的思路

　　一樁失效事件不論是屬于大事故還是小故障,其原因總是包括操作人員、機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)、材料、制造工藝、環(huán)境和管理6個(gè)方面。根據(jù)失效現(xiàn)場的調(diào)查和對背景資料(規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造說明書和藍(lán)圖)的了解,可以初步確定失效原因與其中一、兩個(gè)方面有密切的關(guān)系,甚至只與一個(gè)方面的原因有關(guān)。這就是5M1E(Man(人)、Machine(機(jī)器設(shè)備)、Material(材料)、Method(工藝制作方法)、Management(管理)、Environment(環(huán)境條件))的失效分析思路。

　　如果失效已確定純屬機(jī)械問題,則以設(shè)備制造全過程為一系統(tǒng)進(jìn)行分析,即對機(jī)械經(jīng)歷的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、選材、機(jī)械加工、熱處理、二次精加工、裝配、調(diào)試等制作工序逐個(gè)進(jìn)行分析,逐個(gè)因素排除。加工缺陷、鑄造缺陷、焊接缺陷、熱處理不當(dāng)、再加工缺陷、裝配檢驗(yàn)中的問題、使用和維護(hù)不當(dāng)、環(huán)境損傷等11個(gè)方面,含有可能引起機(jī)械失效的121個(gè)主要因素。

　　上述“撒大網(wǎng)”逐個(gè)因素排除的思路,面面俱到,它懷疑一切,不放過任何一個(gè)可疑點(diǎn)?！叭龃缶W(wǎng)”思路是早期安全工作中慣用的事故檢查思路,一般不宜采用“撒大網(wǎng)”的辦法,當(dāng)找不到任何確切線索時(shí),這種方法是一種比較好的辦法。

　　2.2 殘骸分析法

　　殘骸分析法是從物理、化學(xué)的角度對失效零件進(jìn)行分析的方法。如果認(rèn)為零件的失效是由于零件廣義的“失效抗力”小于廣義的“應(yīng)力”的緣故,而“應(yīng)力”則與零件的服役條件有關(guān),因此,失效殘骸分析法總是以服役條件、斷口特征和失效的抗力指標(biāo)為線索的。

　　零件的服役條件大致可以劃分為靜載荷、動載荷和環(huán)境“載荷”。以服役條件為線索就是要找到零件的服役條件與失效模式和失效原因之間的內(nèi)在聯(lián)系。但是,實(shí)踐表明,同一服役條件下,可能產(chǎn)生不同的失效模式;同樣,同一種失效模式,也可能在不同的服役條件下產(chǎn)生,因此,以服役條件為線索進(jìn)行失效殘骸的失效分析,只是一種初步的“入門”方法,它只能起到縮小分析范圍的作用。

　　斷口是斷裂失效分析重要的證據(jù),它是殘骸分析中斷裂信息的重要來源之一。但是在一般情況下,斷口分析必須輔以殘骸失效抗力的分析,才能對斷裂的原因下確切的結(jié)論。

　　以失效抗力指標(biāo)為線索的失效分析思路,如圖1所示,關(guān)鍵是在搞清楚零件服役條件的基礎(chǔ)上,通過殘骸的斷口分析和其它理化分析,找到造成失效的主要失效抗力指標(biāo),并進(jìn)一步研究這一主要失效抗力指標(biāo)與材料成分、組織和狀態(tài)的關(guān)系。通過材料工藝變革,提高這一主要的失效抗力指標(biāo),最后進(jìn)行機(jī)械的臺架模擬試驗(yàn)或直接進(jìn)行使用考驗(yàn),達(dá)到預(yù)防失效的目的。

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　　圖1以失效抗力指標(biāo)為線索的失效分析思路示意圖

　　很明顯,以失效抗力指標(biāo)為線索的失效分析思路是一種材料工作者常用的、比較綜合的方法。它是工程材料開發(fā)、研究和推廣使用的有效方法之一。

　　值得指出的是,在不同的服役條件下,要求零件(或材料)具有不同的失效抗力指標(biāo)的實(shí)質(zhì)是要求其強(qiáng)度與塑性、韌性之間應(yīng)有合理的配合。因此,研究零件(或材料)的強(qiáng)度、塑性(或韌性)等基本性能及它們之間的合理配合與具體服役條件之間的關(guān)系就是這一思路的核心。而進(jìn)一步研究失效抗力指標(biāo)與材料(或零件)的成分、組織、狀態(tài)之間的關(guān)系是提高其失效抗力的有效途徑(圖2)。

　　2.3 失效樹分析法

　　失效樹分析法是一種邏輯分析方法。邏輯分析法包括事件樹分析法(簡稱ETA)、管理失誤和風(fēng)險(xiǎn)樹分析法(簡稱MORT)和失效樹分析法(簡稱FTA)等。這里只介紹失效樹分析法。

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　　圖2材料失效抗力指標(biāo)與成分、組織、狀態(tài)關(guān)系示意圖

　　失效樹分析(FaultTreeAnalysis)早在20世紀(jì)60年代初就由美國貝爾研究所首先用于民兵導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,為預(yù)測導(dǎo)彈發(fā)射的隨機(jī)失效概率做出了貢獻(xiàn)。此后許多人對失效樹分析的理論和應(yīng)用進(jìn)行了研究。1974年美國原子能管理委員會主要采用失效樹分析商用原子反應(yīng)堆安全性的Wash-1400報(bào)告,進(jìn)一步推動了對失效樹的研究和應(yīng)用。迄今FTA法在國外已被公認(rèn)為當(dāng)前對復(fù)雜安全性、可靠性分析的一種好方法。

　　失效樹分析法

　　失效樹分析法是:在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素(包括軟件、硬件、環(huán)境、人為因素等)進(jìn)行分析,畫出邏輯框圖(即失效樹),從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能的組合方式或發(fā)生概率,以計(jì)算系統(tǒng)失效概率,采取相應(yīng)的糾正措施,以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法。

　　FTA法具有很大的靈活性,即不是局限于對系統(tǒng)可靠性作一般的分析,而且可以分析系統(tǒng)的各種失效狀態(tài)。不僅可分析某些元部件失效對系統(tǒng)的影響,還可以對導(dǎo)致這些元部件失效的特殊原因進(jìn)行分析。

　　FTA法是一種圖形演繹方法,是失效事件在一定條件下的邏輯推理方法。它可以圍繞某些特定的失效狀態(tài)作層層深入的分析。因而在清晰的失效樹圖形下,表達(dá)了系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系,并指出元部件失效與系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系,找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

　　FTA法不僅可以進(jìn)行定性的邏輯推導(dǎo)分析,而且可以定量地計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)的失效概率及其他的可靠性參數(shù),為改善和評估系統(tǒng)的可靠性提供定量的數(shù)據(jù)。

　　FTA法的步驟,因評價(jià)對象、分析目的、精細(xì)程度等而不同,但一般可按如下的步驟進(jìn)行:①失效樹的建造;②失效樹的定性分析;③失效樹的定量分析;④基本事件的重要度分析。

　　失效樹的建造是一件十分復(fù)雜和仔細(xì)的工作,要求注意以下幾點(diǎn):

　　(1)失效分析人員在建樹前必須對所分析的系統(tǒng)有深刻的了解。

　　(2)失效事件的定義要明確,否則樹中可能出現(xiàn)邏輯混亂乃至矛盾、錯(cuò)誤。

　　(3)選好頂事件,若頂事件選擇不當(dāng)就有可能無法分析和計(jì)算。對同一個(gè)系統(tǒng),選取不同的頂事件,其結(jié)果是不同的。在一般情況下,頂事件可以通過初步的失效分析,可從各種失效模式中找出該系統(tǒng)最可能發(fā)生的失效模式作為頂事件。

　　(4)合理確定系統(tǒng)的邊界條件—-規(guī)定所建立的失效樹的狀況。有了邊界條件就明確了失效樹建到何處為止。邊界條件一般包括確定頂事件、確定初始條件和確定不許可的事件等。

　　(5)對系統(tǒng)中各事件之間的邏輯關(guān)系及條件必須分析清楚,不能有邏輯上的紊亂及條件上的矛盾。

　　例如,低合金超高強(qiáng)度鋼一般在低溫回火或等溫(馬氏體等溫或貝氏體等溫)淬火狀態(tài)下使用。在服役期間,低合金超高強(qiáng)度鋼也常發(fā)生斷裂失效(破壞)。失效樹的頂事件就是構(gòu)件的破壞。這種破壞可由不同的事件——疲勞、過載、應(yīng)力腐蝕開裂及具有最大可能性的氫脆等等——造成的。這些事件,每一個(gè)都通過“或門”與頂事件相連(圖3)。斷口分析表明,失效殘骸的斷口形態(tài)不同于過載和疲勞。因此,過載和疲勞是不發(fā)展事件,并分別用棱形表示 中國可靠性論壇:http://kekaoxing.com/club

　　在圖3中。當(dāng)然如果斷口分析不能排除這些事件時(shí),那么仍有必要進(jìn)一步地發(fā)展。對于氫脆來說,它是在臨界應(yīng)力強(qiáng)度和臨界含氫量共同作用下發(fā)生的,因此臨界應(yīng)力強(qiáng)度(圖3中的事件15)和臨界含氫量(圖3中的事件14)應(yīng)采用“與門”與氫脆(圖3中的事件4)相連,其中臨界含氫量為不發(fā)展事件。

　　應(yīng)力腐蝕開裂(圖3中事件3)則是臨界應(yīng)力強(qiáng)度(圖3中事件6)和造成開裂元素的臨界濃度可以是臨界氫濃度(圖3中事件10),也可以是除氫以外的其他物質(zhì)的臨界含量(圖3中事件11),這樣事件10和事件11應(yīng)用“或門”與事件7相連。事件10和事件11均為不發(fā)展事件,故均用棱形框表示?？梢钥闯?如果認(rèn)為應(yīng)力腐蝕開裂與氫脆都是由于臨界應(yīng)力強(qiáng)度上臨界氫濃度引起的,那末在失效樹的第一行不能區(qū)分應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆,不過,應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆應(yīng)該在斷裂源的起始位置上找到差別。應(yīng)力腐蝕開裂的臨界氫濃度應(yīng)在暴露表面上顯示出來,因此它的斷裂源一般在“暴露表面上”,而氫脆的臨界氫濃度可能在電鍍表面或次表面先達(dá)到,因此它的斷裂源應(yīng)在電鍍表面上或次表面上。所以是應(yīng)力腐蝕開裂還是氫脆在失效樹的第二行就可以初步確定了。雖然應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆的條件之一都是臨界應(yīng)力強(qiáng)度,并且它們臨界應(yīng)力強(qiáng)度都取決于構(gòu)件上的載荷(事件8和事件16)和材料的流變應(yīng)力大于材料的臨界門檻應(yīng)力σi(當(dāng)然,應(yīng)力腐蝕的門檻應(yīng)力數(shù)值與氫脆的門檻應(yīng)力數(shù)值不同),但是由于應(yīng)力腐蝕開裂一般起始于暴露表面,構(gòu)件的表面流變應(yīng)力對構(gòu)件的平均載荷不敏感,而對表面的加工缺陷等原因所造成應(yīng)力集中或應(yīng)變集中則十分敏感,因而在應(yīng)力腐蝕系統(tǒng)中,加工缺陷處的流變應(yīng)力大于材料的應(yīng)力腐蝕門檻應(yīng)力用“或門”與事件9相連;在氫脆系統(tǒng)中,由于氫脆一般起源于電鍍層的次表面,構(gòu)件上的載荷(事件16)可以是施加的載荷(事件18)也可以是構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力(事件19),故事件18和事件19用“或門”與事件16相連。材料的氫脆門檻應(yīng)力受表面加工缺陷的影響較小,不需要進(jìn)一步的展開分析(事件17為不發(fā)展事件)了。

　　從以上FTA法在構(gòu)件斷裂失效分析中的具體應(yīng)用情況可以看出,FTA法可以對特定的失效事件作層層深入地邏輯推理分析,在清晰的失效樹的幫助下,最后找到這一特定失效事件的失效原因或該構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié),因此,FTA法是進(jìn)行失效分析的好方法之一。

　　失效樹建立后可以進(jìn)行定性的也可以是定量的分析。失效樹的定性分析的目的是為了尋找系統(tǒng)的最薄弱的環(huán)節(jié),即發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最容易發(fā)生失效的環(huán)節(jié),以便集中力量解決這些薄弱環(huán)節(jié),提高系統(tǒng)的可靠性。失效樹的定量分析的任務(wù)就是要計(jì)算或估計(jì)系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率及系統(tǒng)的一些可靠性指標(biāo)。一般來說,多部件復(fù)雜系統(tǒng)的失效樹定量分析是十分困難的。有時(shí)無法用解析法求其精確結(jié)果,而只能用一些簡化的方法進(jìn)行估算。

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　　圖3某超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件破壞的失效樹 kekaoxing.com/club

　　1.構(gòu)件破壞2.過載3.應(yīng)力腐蝕4.氫脆5.疲勞6.臨界應(yīng)力強(qiáng)度7.造成開裂元素的臨界濃度 8.構(gòu)件上的載荷9.流變應(yīng)力>σi10.臨界氫含量11.除氫以外,其它物質(zhì)的臨界含量12.加工缺陷>σi13.使用過程中的發(fā)展14.臨界氫含量15.臨界應(yīng)力強(qiáng)度16.流變應(yīng)力>σi17.構(gòu)件上的載荷18.施加載荷>i19.殘余應(yīng)力>Si

　　3 結(jié)語

　　失效分析思路是失效分析成敗的關(guān)鍵之一,特別是在復(fù)雜的失效分析過程中失效分析思路顯得尤為重要。根據(jù)失效狀況的不同,需要合理選擇正確的失效分析思路。筆者介紹了幾種常用的分析思路,除此之外還有許多實(shí)用的思路,如基于安全系統(tǒng)工程分析法的統(tǒng)計(jì)圖分析法、文字表格法和邏輯分析法等。