可靠性失效分析常见思路【转帖】

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失效分析在生产建设中极其重要,失效分析的限期往往要求很短,分析结论要正确无误,改进措施要切实可行。导致零部件或系统失效的因素往往很多,加之零部件相互间的受力情况很复杂,如果再考虑外界条件的影响,这就使失效分析的任务更加繁重。此外,大多数失效分析的关键性试样十分有限,只容许一次取样、一次观察和测量。在分析程序上走错一步,可能导致整个分析的失败。由此可见,如果分析之前没有一条正确的分析思路,要能如期得出正确的结论几乎是不可能的。

有了正确的分析思路,才能制定正确的分析程序。大的事故需要很多分析人员按照分工同时进行,做到有条不紊,不走弯路,不浪费测试费用。所以从经济角度也要求有正确的分析思路。

1 失效分析思路的内涵

世界上任何事物都是可以被认识的,没有不可以认识的东西,只存在尚未能够认识的东西,机械失效也不例外。实际上失效总有一个或长或短的变化发展过程,机械的失效过程实质上是材料的累积损伤过程,即材料发生物理的和化学的变化。而整个过程的演变是有条件的、有规律的,也就是说有原因的。因此,机械失效的客观规律性是整个失效分析的理论基础,也是失效分析思路的理论依据。

失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线,是在思想中以机械失效的规律(即宏观表象特征和微观过程机理)为理论依据,把通过调查、观察和实验获得的失效信息(失效对象、失效现象、失效环境统称为失效信息)分别加以考察,然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察,以获取的客观事实为证据,全面应用推理的方法,来判断失效事件的失效模式,并推断失效原因。因此,失效分析思路在整个失效分析过程中一脉相承、前后呼应,自成思考体系,把失效分析的指导思路、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体,从而达到失效分析的根本目的。

在科学的分析思路指导下,才能制定出正确的分析程序;机械的失效往往是多种原因造成的,即一果多因,常常需要正确的失效分析思路的指导;对于复杂的机械失效,涉及面广,任务艰巨,更需要正确的失效分析思路,以最小代价来获取较科学合理的分析结论。总之,掌握并运用正确的分析思路,才可能对失效事件有本质的认识,减少失效分析工作中的盲目性、片面性和主观随意性,大大提高工作的效率和质量。因此,失效分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分,而且是失效分析的灵魂。

失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程,结果和原因具有双重性,因此,失效分析可以从原因入手,也可以从结果入手,也可以从失效的某个过程入手,如“顺藤摸瓜”,即以失效过程中间状态的现象为原因,推断过程进一步发展的结果,直至过程的终点结果“;顺藤找根”,即以失效过程中间状态的现象为结果,推断该过程退一步的原因,直至过程起始状态的直接原因“;顺瓜摸藤”,即从过程中的终点结果出发,不断由过程的结果推断其原因“顺;根摸藤”,即从过程起始状态的原因出发,不断由过程的原因推断其结果。再如“顺瓜摸藤+顺藤找根”、“顺根摸藤+顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜+顺藤找根”等。

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2 失效分析的主要思路

常用的失效分析思路很多,笔者介绍几种主要思路。

2.1 “撒大网”逐个因素排除的思路

一桩失效事件不论是属于大事故还是小故障,其原因总是包括操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理6个方面。根据失效现场的调查和对背景资料(规划、设计、制造说明书和蓝图)的了解,可以初步确定失效原因与其中一、两个方面有密切的关系,甚至只与一个方面的原因有关。这就是5M1E(Man(人)、Machine(机器设备)、Material(材料)、Method(工艺制作方法)、Management(管理)、Environment(环境条件))的失效分析思路。
如果失效已确定纯属机械问题,则以设备制造全过程为一系统进行分析,即对机械经历的规划、设计、选材、机械加工、热处理、二次精加工、装配、调试等制作工序逐个进行分析,逐个因素排除。加工缺陷、铸造缺陷、焊接缺陷、热处理不当、再加工缺陷、装配检验中的问题、使用和维护不当、环境损伤等11个方面,含有可能引起机械失效的121个主要因素。

上述“撒大网”逐个因素排除的思路,面面俱到,它怀疑一切,不放过任何一个可疑点。“撒大网”思路是早期安全工作中惯用的事故检查思路,一般不宜采用“撒大网”的办法,当找不到任何确切线索时,这种方法是一种比较好的办法。

2.2 残骸分析法

残骸分析法是从物理、化学的角度对失效零件进行分析的方法。如果认为零件的失效是由于零件广义的“失效抗力”小于广义的“应力”的缘故,而“应力”则与零件的服役条件有关,因此,失效残骸分析法总是以服役条件、断口特征和失效的抗力指标为线索的。

零件的服役条件大致可以划分为静载荷、动载荷和环境“载荷”。以服役条件为线索就是要找到零件的服役条件与失效模式和失效原因之间的内在联系。但是,实践表明,同一服役条件下,可能产生不同的失效模式;同样,同一种失效模式,也可能在不同的服役条件下产生,因此,以服役条件为线索进行失效残骸的失效分析,只是一种初步的“入门”方法,它只能起到缩小分析范围的作用。

断口是断裂失效分析重要的证据,它是残骸分析中断裂信息的重要来源之一。但是在一般情况下,断口分析必须辅以残骸失效抗力的分析,才能对断裂的原因下确切的结论。

以失效抗力指标为线索的失效分析思路,如图1所示,关键是在搞清楚零件服役条件的基础上,通过残骸的断口分析和其它理化分析,找到造成失效的主要失效抗力指标,并进一步研究这一主要失效抗力指标与材料成分、组织和状态的关系。通过材料工艺变革,提高这一主要的失效抗力指标,最后进行机械的台架模拟试验或直接进行使用考验,达到预防失效的目的。


图1以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图

很明显,以失效抗力指标为线索的失效分析思路是一种材料工作者常用的、比较综合的方法。它是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。

值得指出的是,在不同的服役条件下,要求零件(或材料)具有不同的失效抗力指标的实质是要求其强度与塑性、韧性之间应有合理的配合。因此,研究零件(或材料)的强度、塑性(或韧性)等基本性能及它们之间的合理配合与具体服役条件之间的关系就是这一思路的核心。而进一步研究失效抗力指标与材料(或零件)的成分、组织、状态之间的关系是提高其失效抗力的有效途径(图2)。

2.3 失效树分析法

失效树分析法是一种逻辑分析方法。逻辑分析法包括事件树分析法(简称ETA)、管理失误和风险树分析法(简称MORT)和失效树分析法(简称FTA)等。这里只介绍失效树分析法。




图2材料失效抗力指标与成分、组织、状态关系示意图

失效树分析(FaultTreeAnalysis)早在20世纪60年代初就由美国贝尔研究所首先用于民兵导弹的控制系统设计上,为预测导弹发射的随机失效概率做出了贡献。此后许多人对失效树分析的理论和应用进行了研究。1974年美国原子能管理委员会主要采用失效树分析商用原子反应堆安全性的Wash-1400报告,进一步推动了对失效树的研究和应用。迄今FTA法在国外已被公认为当前对复杂安全性、可靠性分析的一种好方法。

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失效树分析法是

失效树分析法是:在系统设计过程中,通过对可能造成系统失效的各种因素(包括软件、硬件、环境、人为因素等)进行分析,画出逻辑框图(即失效树),从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率,以计算系统失效概率,采取相应的纠正措施,以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

FTA法具有很大的灵活性,即不是局限于对系统可靠性作一般的分析,而且可以分析系统的各种失效状态。不仅可分析某些元部件失效对系统的影响,还可以对导致这些元部件失效的特殊原因进行分析。

FTA法是一种图形演绎方法,是失效事件在一定条件下的逻辑推理方法。它可以围绕某些特定的失效状态作层层深入的分析。因而在清晰的失效树图形下,表达了系统的内在联系,并指出元部件失效与系统之间的逻辑关系,找出系统的薄弱环节。

FTA法不仅可以进行定性的逻辑推导分析,而且可以定量地计算复杂系统的失效概率及其他的可靠性参数,为改善和评估系统的可靠性提供定量的数据。

FTA法的步骤,因评价对象、分析目的、精细程度等而不同,但一般可按如下的步骤进行:①失效树的建造;②失效树的定性分析;③失效树的定量分析;④基本事件的重要度分析。

失效树的建造是一件十分复杂和仔细的工作,要求注意以下几点:
(1)失效分析人员在建树前必须对所分析的系统有深刻的了解。

(2)失效事件的定义要明确,否则树中可能出现逻辑混乱乃至矛盾、错误。

(3)选好顶事件,若顶事件选择不当就有可能无法分析和计算。对同一个系统,选取不同的顶事件,其结果是不同的。在一般情况下,顶事件可以通过初步的失效分析,可从各种失效模式中找出该系统最可能发生的失效模式作为顶事件。

(4)合理确定系统的边界条件—-规定所建立的失效树的状况。有了边界条件就明确了失效树建到何处为止。边界条件一般包括确定顶事件、确定初始条件和确定不许可的事件等。

(5)对系统中各事件之间的逻辑关系及条件必须分析清楚,不能有逻辑上的紊乱及条件上的矛盾。

例如,低合金超高强度钢一般在低温回火或等温(马氏体等温或贝氏体等温)淬火状态下使用。在服役期间,低合金超高强度钢也常发生断裂失效(破坏)。失效树的顶事件就是构件的破坏。这种破坏可由不同的事件——疲劳、过载、应力腐蚀开裂及具有最大可能性的氢脆等等——造成的。这些事件,每一个都通过“或门”与顶事件相连(图3)。断口分析表明,失效残骸的断口形态不同于过载和疲劳。因此,过载和疲劳是不发展事件,并分别用棱形表示

在图3中。当然如果断口分析不能排除这些事件时,那么仍有必要进一步地发展。对于氢脆来说,它是在临界应力强度和临界含氢量共同作用下发生的,因此临界应力强度(图3中的事件15)和临界含氢量(图3中的事件14)应采用“与门”与氢脆(图3中的事件4)相连,其中临界含氢量为不发展事件。

应力腐蚀开裂(图3中事件3)则是临界应力强度(图3中事件6)和造成开裂元素的临界浓度可以是临界氢浓度(图3中事件10),也可以是除氢以外的其他物质的临界含量(图3中事件11),这样事件10和事件11应用“或门”与事件7相连。事件10和事件11均为不发展事件,故均用棱形框表示。可以看出,如果认为应力腐蚀开裂与氢脆都是由于临界应力强度上临界氢浓度引起的,那末在失效树的第一行不能区分应力腐蚀开裂和氢脆,不过,应力腐蚀开裂和氢脆应该在断裂源的起始位置上找到差别。应力腐蚀开裂的临界氢浓度应在暴露表面上显示出来,因此它的断裂源一般在“暴露表面上”,而氢脆的临界氢浓度可能在电镀表面或次表面先达到,因此它的断裂源应在电镀表面上或次表面上。所以是应力腐蚀开裂还是氢脆在失效树的第二行就可以初步确定了。虽然应力腐蚀开裂和氢脆的条件之一都是临界应力强度,并且它们临界应力强度都取决于构件上的载荷(事件8和事件16)和材料的流变应力大于材料的临界门槛应力σi(当然,应力腐蚀的门槛应力数值与氢脆的门槛应力数值不同),但是由于应力腐蚀开裂一般起始于暴露表面,构件的表面流变应力对构件的平均载荷不敏感,而对表面的加工缺陷等原因所造成应力集中或应变集中则十分敏感,因而在应力腐蚀系统中,加工缺陷处的流变应力大于材料的应力腐蚀门槛应力用“或门”与事件9相连;在氢脆系统中,由于氢脆一般起源于电镀层的次表面,构件上的载荷(事件16)可以是施加的载荷(事件18)也可以是构件内部的残余应力(事件19),故事件18和事件19用“或门”与事件16相连。材料的氢脆门槛应力受表面加工缺陷的影响较小,不需要进一步的展开分析(事件17为不发展事件)了。

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从以上FTA法在构件断裂失效分析中的具体应用情况可以看出,FTA法可以对特定的失效事件作层层深入地逻辑推理分析,在清晰的失效树的帮助下,最后找到这一特定失效事件的失效原因或该构件的薄弱环节,因此,FTA法是进行失效分析的好方法之一。

失效树建立后可以进行定性的也可以是定量的分析。失效树的定性分析的目的是为了寻找系统的最薄弱的环节,即发现系统最容易发生失效的环节,以便集中力量解决这些薄弱环节,提高系统的可靠性。失效树的定量分析的任务就是要计算或估计系统顶事件发生的概率及系统的一些可靠性指标。一般来说,多部件复杂系统的失效树定量分析是十分困难的。有时无法用解析法求其精确结果,而只能用一些简化的方法进行估算。



图3某超高强度钢构件破坏的失效树

1.构件破坏2.过载3.应力腐蚀4.氢脆5.疲劳6.临界应力强度7.造成开裂元素的临界浓度

8.构件上的载荷9.流变应力>σi10.临界氢含量11.除氢以外,其它物质的临界含量12.加工缺陷>σi13.使用过程中的发展14.临界氢含量15.临界应力强度16.流变应力>σi17.构件上的载荷18.施加载荷>i19.残余应力>Si

3 结语

失效分析思路是失效分析成败的关键之一,特别是在复杂的失效分析过程中失效分析思路显得尤为重要。根据失效状况的不同,需要合理选择正确的失效分析思路。笔者介绍了几种常用的分析思路,除此之外还有许多实用的思路,如基于安全系统工程分析法的统计图分析法、文字表格法和逻辑分析法等。