失效分析在生產建設中極其重要,失效分析的限期往往要求很短,分析結論要正確無誤,改進措施要切實可行。

　　1 失效分析思路的內涵

　　失效分析思路是指導失效分析全過程的思維路線,是在思想中以機械失效的規律(即宏觀表象特征和微觀過程機理)為理論依據,把通過調查、觀察和實驗獲得的失效信息(失效對象、失效現象、失效環境統稱為失效信息)分別加以考察,然后有機結合起來作為一個統一整體綜合考察,以獲取的客觀事實為證據,全面應用推理的方法,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失效分析過程中一脈相承、前后呼應,自成思考體系,把失效分析的指導思路、推理方法、程序、步驟、技巧有機地融為一體,從而達到失效分析的根本目的。 http://www.kekaoixng.com

　　在科學的分析思路指導下,才能制定出正確的分析程序;機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;對于復雜的機械失效,涉及面廣,任務艱巨,更需要正確的失效分析思路,以最小代價來獲取較科學合理的分析結論。總之,掌握并運用正確的分析思路,才可能對失效事件有本質的認識,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量。因此,失效分析思路不僅是失效分析學科的重要組成部分,而且是失效分析的靈魂。

　　失效分析是從結果求原因的逆向認識失效本質的過程,結果和原因具有雙重性,因此,失效分析可以從原因入手,也可以從結果入手,也可以從失效的某個過程入手,如“順藤摸瓜”,即以失效過程中間狀態的現象為原因,推斷過程進一步發展的結果,直至過程的終點結果“;順藤找根”,即以失效過程中間狀態的現象為結果,推斷該過程退一步的原因,直至過程起始狀態的直接原因“;順瓜摸藤”,即從過程中的終點結果出發,不斷由過程的結果推斷其原因“順;根摸藤”,即從過程起始狀態的原因出發,不斷由過程的原因推斷其結果。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”逐個因素排除的思路

　　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、機械設備系統、材料、制造工藝、環境和管理6個方面。根據失效現場的調查和對背景資料(規劃、設計、制造說明書和藍圖)的了解,可以初步確定失效原因與其中一、兩個方面有密切的關系,甚至只與一個方面的原因有關。這就是5M1E(Man(人)、Machine(機器設備)、Material(材料)、Method(工藝制作方法)、Management(管理)、Environment(環境條件))的失效分析思路。

　　如果失效已確定純屬機械問題,則以設備制造全過程為一系統進行分析,即對機械經歷的規劃、設計、選材、機械加工、熱處理、二次精加工、裝配、調試等制作工序逐個進行分析,逐個因素排除。加工缺陷、鑄造缺陷、焊接缺陷、熱處理不當、再加工缺陷、裝配檢驗中的問題、使用和維護不當、環境損傷等11個方面,含有可能引起機械失效的121個主要因素。

　　上述“撒大網”逐個因素排除的思路,面面俱到,它懷疑一切,不放過任何一個可疑點。“撒大網”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”的辦法,當找不到任何確切線索時,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、化學的角度對失效零件進行分析的方法。如果認為零件的失效是由于零件廣義的“失效抗力”小于廣義的“應力”的緣故,而“應力”則與零件的服役條件有關,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在聯系。但是,實踐表明,同一服役條件下,可能產生不同的失效模式;同樣,同一種失效模式,也可能在不同的服役條件下產生,因此,以服役條件為線索進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,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論。

　　以失效抗力指標為線索的失效分析思路,如圖1所示,關鍵是在搞清楚零件服役條件的基礎上,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,并進一步研究這一主要失效抗力指標與材料成分、組織和狀態的關系。通過材料工藝變革,提高這一主要的失效抗力指標,最后進行機械的臺架模擬試驗或直接進行使用考驗,達到預防失效的目的。

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　　圖1以失效抗力指標為線索的失效分析思路示意圖

　　很明顯,以失效抗力指標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、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的實質是要求其強度與塑性、韌性之間應有合理的配合。因此,研究零件(或材料)的強度、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系就是這一思路的核心。而進一步研究失效抗力指標與材料(或零件)的成分、組織、狀態之間的關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)、管理失誤和風險樹分析法(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材料失效抗力指標與成分、組織、狀態關系示意圖

　　失效樹分析(FaultTreeAnalysis)早在20世紀60年代初就由美國貝爾研究所首先用于民兵導彈的控制系統設計上,為預測導彈發射的隨機失效概率做出了貢獻。此后許多人對失效樹分析的理論和應用進行了研究。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堆安全性的Wash-1400報告,進一步推動了對失效樹的研究和應用。迄今FTA法在國外已被公認為當前對復雜安全性、可靠性分析的一種好方法。

　　失效樹分析法

　　失效樹分析法是:在系統設計過程中,通過對可能造成系統失效的各種因素(包括軟件、硬件、環境、人為因素等)進行分析,畫出邏輯框圖(即失效樹),從而確定系統失效原因的各種可能的組合方式或發生概率,以計算系統失效概率,采取相應的糾正措施,以提高系統可靠性的一種設計分析方法。

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

　　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作層層深入的分析。因而在清晰的失效樹圖形下,表達了系統的內在聯系,并指出元部件失效與系統之間的邏輯關系,找出系統的薄弱環節。

　　FTA法不僅可以進行定性的邏輯推導分析,而且可以定量地計算復雜系統的失效概率及其他的可靠性參數,為改善和評估系統的可靠性提供定量的數據。

　　FTA法的步驟,因評價對象、分析目的、精細程度等而不同,但一般可按如下的步驟進行: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雜和仔細的工作,要求注意以下幾點:

　　(1)失效分析人員在建樹前必須對所分析的系統有深刻的了解。

　　(2)失效事件的定義要明確,否則樹中可能出現邏輯混亂乃至矛盾、錯誤。

　　(3)選好頂事件,若頂事件選擇不當就有可能無法分析和計算。對同一個系統,選取不同的頂事件,其結果是不同的。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最可能發生的失效模式作為頂事件。

　　(4)合理確定系統的邊界條件—-規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)對系統中各事件之間的邏輯關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)淬火狀態下使用。在服役期間,低合金超高強度鋼也常發生斷裂失效(破壞)。失效樹的頂事件就是構件的破壞。這種破壞可由不同的事件——疲勞、過載、應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不同于過載和疲勞。因此,過載和疲勞是不發展事件,并分別用棱形表示 中國可靠性論壇:http://kekaoxing.com/club

　　在圖3中。當然如果斷口分析不能排除這些事件時,那么仍有必要進一步地發展。對于氫脆來說,它是在臨界應力強度和臨界含氫量共同作用下發生的,因此臨界應力強度(圖3中的事件15)和臨界含氫量(圖3中的事件14)應采用“與門”與氫脆(圖3中的事件4)相連,其中臨界含氫量為不發展事件。

　　應力腐蝕開裂(圖3中事件3)則是臨界應力強度(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的臨界含量(圖3中事件11),這樣事件10和事件11應用“或門”與事件7相連。事件10和事件11均為不發展事件,故均用棱形框表示。可以看出,如果認為應力腐蝕開裂與氫脆都是由于臨界應力強度上臨界氫濃度引起的,那末在失效樹的第一行不能區分應力腐蝕開裂和氫脆,不過,應力腐蝕開裂和氫脆應該在斷裂源的起始位置上找到差別。應力腐蝕開裂的臨界氫濃度應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到,因此它的斷裂源應在電鍍表面上或次表面上。所以是應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。雖然應力腐蝕開裂和氫脆的條件之一都是臨界應力強度,并且它們臨界應力強度都取決于構件上的載荷(事件8和事件16)和材料的流變應力大于材料的臨界門檻應力σi(當然,應力腐蝕的門檻應力數值與氫脆的門檻應力數值不同),但是由于應力腐蝕開裂一般起始于暴露表面,構件的表面流變應力對構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力集中或應變集中則十分敏感,因而在應力腐蝕系統中,加工缺陷處的流變應力大于材料的應力腐蝕門檻應力用“或門”與事件9相連;在氫脆系統中,由于氫脆一般起源于電鍍層的次表面,構件上的載荷(事件16)可以是施加的載荷(事件18)也可以是構件內部的殘余應力(事件19),故事件18和事件19用“或門”與事件16相連。材料的氫脆門檻應力受表面加工缺陷的影響較小,不需要進一步的展開分析(事件17為不發展事件)了。

　　從以上FTA法在構件斷裂失效分析中的具體應用情況可以看出,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件的薄弱環節,因此,FTA法是進行失效分析的好方法之一。

　　失效樹建立后可以進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的最薄弱的環節,即發現系統最容易發生失效的環節,以便集中力量解決這些薄弱環節,提高系統的可靠性。失效樹的定量分析的任務就是要計算或估計系統頂事件發生的概率及系統的一些可靠性指標。一般來說,多部件復雜系統的失效樹定量分析是十分困難的。有時無法用解析法求其精確結果,而只能用一些簡化的方法進行估算。

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　　圖3某超高強度鋼構件破壞的失效樹 kekaoxing.com/club

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

　　3 結語

　　失效分析思路是失效分析成敗的關鍵之一,特別是在復雜的失效分析過程中失效分析思路顯得尤為重要。根據失效狀況的不同,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用的思路,如基于安全系統工程分析法的統計圖分析法、文字表格法和邏輯分析法等。