機(jī)械產(chǎn)品的失效分析流程探討

張磊

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西西安 710077)

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機(jī)械產(chǎn)品的失效分析流程探討

張磊

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西西安 710077)

失效分析用于提高產(chǎn)品安全性、可靠性，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品創(chuàng)新均具有重要的意義。探討了機(jī)械產(chǎn)品試驗(yàn)失效后的信息記錄和分析方面的要求，總結(jié)出了較為完整的失效分析流程，它可以使分析工作有條不紊，客觀全面地指導(dǎo)實(shí)際工作。

機(jī)械產(chǎn)品；失效分析；產(chǎn)品試驗(yàn)

0 引言

機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列3種狀態(tài)之一時(shí)就可定義為失效：(1)完全不能工作；(2)仍然可工作，但已經(jīng)不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能；(3)受到嚴(yán)重?fù)p傷，不能可靠和安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)品或裝備拆卸下來進(jìn)行修理或者更換[1]。我國在學(xué)術(shù)上的表述形式：系統(tǒng)、設(shè)備、零件等產(chǎn)品喪失額定功能的現(xiàn)象，稱之為“失效”[2]。

失效分析是通過對(duì)失效殘骸的研究，查明失效的機(jī)制和過程，并對(duì)失效的原因做出判斷，有針對(duì)地提出防止或延遲失效的措施，避免同類失效再次發(fā)生。通常整機(jī)的失效是由某個(gè)零件首先失效而引發(fā)，而零件的失效都是從最薄弱的部位開始，而且必然在其殘骸上留下失效的信息，這就為失效分析提供了基礎(chǔ)[3]。

為了考核變速器的性能指標(biāo)，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)是一個(gè)重要而且經(jīng)濟(jì)的手段，這樣不僅可以在較短時(shí)間內(nèi)全面地了解變速器的性能，同時(shí)能減少將變速器直接安裝在汽車上進(jìn)行道路試驗(yàn)所帶來時(shí)間和經(jīng)費(fèi)方面的投入[4]。

1 失效信息的收集

試驗(yàn)樣件失效時(shí)，首先要收集失效信息。收集失效信息是失效分析工作中具有戰(zhàn)略意義的一步，也是最為繁瑣、最為復(fù)雜的一個(gè)階段[5]。需要了解各零件或部件的構(gòu)成、功能、原理及運(yùn)行情況，同時(shí)需要有較好的失效分析技術(shù)，以便對(duì)第一手資料進(jìn)行初步的分析和加工，為進(jìn)一步的失效分析準(zhǔn)備充足和豐富的依據(jù)和資料。

試驗(yàn)后失效信息的采集和記錄應(yīng)包括以下幾點(diǎn)：

(1)記錄產(chǎn)品的服役條件及失效時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

(2)收集試驗(yàn)樣件的技術(shù)資料和歷史信息。

(3)記錄樣件的拆檢情況，收集實(shí)物資料，拍照留據(jù)。

(4)利用失效分析技術(shù)進(jìn)行觀察及測(cè)試檢驗(yàn)，記錄信息及數(shù)據(jù)。

2 失效原因的分析

2.1 零件的失效分析

在獲取充足的零件失效信息后必須經(jīng)過思維的加工，上升為零件失效分析的依據(jù)或理論。零件失效分析須根據(jù)收集的信息診斷零件的失效形式、失效機(jī)制，繼而綜合全面地運(yùn)用系統(tǒng)的分析方法分析得出結(jié)果。

(1)零件的失效形式

診斷零件的失效形式是開展失效分析重要及首要的工作，它決定著失效分析繼續(xù)工作的方向[6]。零件在一種或幾種物理和(或)化學(xué)的作用下，逐漸地發(fā)生尺寸、形狀、狀態(tài)或性能上的變化，并以特定的失效形式失去其預(yù)定的功能。根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類型及外在條件等宏觀特征，可以將零件的失效形式分為3大類型：變形失效、斷裂失效和表面損傷失效。其中每一類型還包括幾類失效，如圖1所示。

判定機(jī)械產(chǎn)品的試驗(yàn)是否通過時(shí)，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)即從這基本的3個(gè)一級(jí)的失效類型對(duì)考核零件的失效有了清晰的界定，但由于一級(jí)失效類型展開的次級(jí)失效類型在產(chǎn)生條件、特征及判據(jù)上均有差異，為了正確合理地分析失效原因，描述整機(jī)失效的全部情況，在失效分析時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步掌握失效形式的次級(jí)形式。

圖1 零件失效的形式

同一零件可以有幾種不同的失效形式，不同失效形式的零件具有不同的抗力，究竟以什么形式失效，決定于具體條件下零件的哪一種抗力最低[7]。因此，零件的失效總是由某一種形式起主導(dǎo)作用，很少同時(shí)以兩種形式失效，但可以組合成較為復(fù)雜的失效形式。

(2)零件的失效機(jī)制

失效機(jī)制是指失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì)和微觀過程，可以追溯到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)變化，與此相對(duì)的是表現(xiàn)出與宏觀性能、性質(zhì)的變化和聯(lián)系。它是對(duì)失效內(nèi)在本質(zhì)、必然性和規(guī)律性的研究，是對(duì)失效內(nèi)在本質(zhì)認(rèn)識(shí)的理論提高和升華。一個(gè)失效事件在失效機(jī)制尚未揭示的情況下，就得出原因的診斷及結(jié)論，有可能造成誤判[8]，因此，在失效分析中分析零件的失效機(jī)制是必不可少的環(huán)節(jié)。

2.2 整機(jī)的失效分析

判斷零件失效順序，找到起始失效的零件。當(dāng)多個(gè)零件失效時(shí)，需要找出各零件失效的直接原因和間接原因，判斷零件的失效順序，繼而分析出整機(jī)失效的主要原因和次要原因。失效分析既可以從原因入手，也可以從結(jié)果入手，還可以從失效的某個(gè)過程入手[9]。

當(dāng)各個(gè)零件裝配在一起后，整機(jī)的一些失效特征是單個(gè)零件不具有的，還需考察整機(jī)可能的失效原因。

2.3 失效分析方法

失效原因的診斷常采用理化診斷法和系統(tǒng)工程診斷方法[10]。理化診斷方法有以失效強(qiáng)度、生產(chǎn)工藝及服役條件為主線的診斷方法。這里推薦較為全面的系統(tǒng)工程診斷方法，常用的有故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)、魚骨圖分析法、特征分析法、失效模式及影響分析法(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)和事件樹分析法(Event Tree Analysis，ETA)等，在具體分析試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，根據(jù)情況選用適合的分析方法。

2.4 失效原因判定

失效原因的診斷是失效分析的核心和關(guān)鍵。引起失效的原因是復(fù)雜的，大致歸納為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因是指材料品質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝等材料方面的因素；外因指載荷條件、溫度及環(huán)境介質(zhì)等環(huán)境因素。任何產(chǎn)品的失效都是在材料或零件的強(qiáng)度(韌性)與應(yīng)力因素和環(huán)境條件不適應(yīng)的條件下發(fā)生的。能夠在可操作層面上給出合理的改進(jìn)意見和防范措施，將失效原因分為以下4個(gè)方面：

(1)設(shè)計(jì)因素，包括方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。常見的情況是：零件的尺寸和幾何結(jié)構(gòu)不正確、過渡圓角太小存在尖角等原因造成的應(yīng)力集中、相關(guān)配合公差值選用不當(dāng)、對(duì)工作環(huán)境條件缺乏充分估計(jì)等。

(2)工藝加工因素。盡管零件原始設(shè)計(jì)是正確的，但是實(shí)際工藝制造條件不滿足設(shè)計(jì)要求，仍會(huì)發(fā)生各式各樣的故障導(dǎo)致失效。例如：熱成形中產(chǎn)生的過熱、過燒；熱處理工藝的遺漏、淬火變形、開裂；機(jī)械切削中出現(xiàn)的表面粗糙度過高、磨削裂紋等。工裝安裝時(shí)的過緊過松、位置度有偏差、對(duì)中不好、固定不緊及遺漏安裝零件等都可能使零件不能正常地工作或存在安全隱患，成為零件失效的誘因。

(3)材料因素。材料引起的失效，可能是由于材料特性不適合服役條件，也可能由于對(duì)材料的工藝性能考慮不周導(dǎo)致無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且還需要注意材料的經(jīng)濟(jì)性。

(4)使用因素。如違規(guī)操作、未能及時(shí)維修保養(yǎng)，構(gòu)件在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行。

失效原因也可以分為一級(jí)失效原因、次級(jí)失效原因以及類推更細(xì)一級(jí)的原因，這為失效分析的系統(tǒng)工程診斷方法提供了思路和參考。一級(jí)失效原因一般指釀成該失效事件的首要失效因素，即上述四大失效因素。次級(jí)失效原因是指一級(jí)失效原因中的直接關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如設(shè)計(jì)因素中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。次級(jí)因素可以再細(xì)分，越是低級(jí)次的失效原因，就越是本質(zhì)的失效原因。

在機(jī)械產(chǎn)品試驗(yàn)的失效原因分析時(shí)，旨在排除工藝加工因素及使用因素后，查明設(shè)計(jì)因素和材料因素，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)提高提出有效方法和預(yù)防措施。

3 失效分析流程探討

現(xiàn)在總結(jié)出機(jī)械產(chǎn)品的失效分析步驟，失效分析的流程圖如圖2所示：(1)收集失效時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況及服役條件的信息；(2)審視樣件的技術(shù)資料和歷史信息，同時(shí)搜集學(xué)習(xí)同類產(chǎn)品的失效分析文獻(xiàn)；(3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定零件的失效形式及程度，拆檢記錄后收集實(shí)物資料，拍照留據(jù)；(4)利用失效分析技術(shù)進(jìn)行觀察及測(cè)試檢驗(yàn)，記錄信息及數(shù)據(jù)，包括以下內(nèi)容：宏觀分析、微觀分析、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、尺寸測(cè)量等必備環(huán)節(jié)，還需根據(jù)情況選擇冷脆檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力檢驗(yàn)、氫脆檢驗(yàn)等檢測(cè)項(xiàng)目；(5)診斷零件的失效形式、失效機(jī)制，同時(shí)考慮診斷整機(jī)的失效形式；(6)判斷零件的失效順序，分析整機(jī)失效原因，并給出改進(jìn)意見及預(yù)防措施；(7)出具產(chǎn)品的試驗(yàn)報(bào)告及失效分析報(bào)告，整理完整資料后存檔。

圖2 失效分析流程圖

近年來隨著計(jì)算機(jī)輔助失效分析系統(tǒng)的開發(fā)研究，產(chǎn)品在服役過程中在線監(jiān)測(cè)、診斷技術(shù)及服役壽命的預(yù)測(cè)日益受到重視[12]。在產(chǎn)品試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，計(jì)算機(jī)輔助失效分析系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品失效早期發(fā)現(xiàn)異常情況，不僅減少經(jīng)濟(jì)上的損失，也使得在失效分析時(shí)能夠避免復(fù)雜的情況出現(xiàn)，降低分析難度。與此同時(shí)，企業(yè)可在實(shí)踐中不斷建立和完善失效案例庫，成立失效分析專案組和相關(guān)部門，以不斷提高產(chǎn)品的安全性和可靠性以贏得市場優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

失效分析是一個(gè)復(fù)雜的研究過程，需要運(yùn)用多個(gè)學(xué)科的知識(shí)及理論基礎(chǔ)、當(dāng)代先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。文中探討并總結(jié)出了較為完整的失效分析流程，對(duì)實(shí)際工作的開展具有較好的參考依據(jù)，研究人員在掌握充分和準(zhǔn)確的信息資料后，根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和適合理論進(jìn)行正確的分析和判斷，根據(jù)分析背景規(guī)范完整的失效分析流程，能夠在充分考慮各方面因素情況下，對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)給出客觀合理的建議。

[1]DAVIS J R.Metals Handbook[M].2nd Ed.ASM,1998:256.

[2]陳南平,顧守仁.機(jī)械零件失效分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988:33.

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[4]廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:32.

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[6]張棟,鐘培道.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004.56

[7]劉瑞堂.機(jī)械零件失效分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

Discussion on Failure Analysis Process of Mechanical Product

ZHANG Lei

(Test Center of Shaanxi Fast Auto Drive Engineering, Xi’an Shaanxi 710077,China)

Failure analysis has great significance for improving product safety, reliability and for improving product design and innovation. The requirements for information recorded and analysis after product failure were discussed, a more complete failure analysis process was developed. This process can make the analysis in good order, objective and comprehensive. Thus work efficiency can be improved, and with its help, the failure analyzers can get right conclusions.

Mechanical products; Failure analysis; Product test

2017-03-09

張磊(1988—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槠诙?。E-mail:leizhangauto@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.022

U461

A

1674-1986(2017)07-080-03