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失效分析程序
 
张　峥

(北京航空航天大学材料学院, 北京100083)

　
    机械失效常常会出现多个机件发生失效,特别是机械事故发生的时候,往往有大量机件同时遭到破坏,情况相当复杂,而失效原因也错综复杂、多种多样。因此,需要有正确的失效分析思路和合理的失效分析步骤。失效分析的实施步骤和程序旨在保证失效分析顺利有效地进行,但是机械产品的失效常常是千变万化,很难制定一个统一的失效分析程序。因此,其细节的制定应根据失效事件的具体情况(失效设备的类型及其失效的严重性等) 、失效分析的目的与要求(是为机理研究、技术改进,还是为法律仲裁等) 、以及有关合同或法规的规定来决定。

下面介绍一般通用的失效分析实施步骤和程序,原则上可供参考和引用。图1 示出了推荐的失效分析实施步骤和程序的流程图。



图1 　失效分析实施步骤和程序

1 　保护失效现场

保护失效现场的一切证据,维持原状、完整无缺和真实不伪,是保证失效分析得以顺利有效地进行的先决条件。失效现场的保护范围视机械设备的类型及其失效发生的范围而定。

2 　失效现场取证和收集背景材料

失效现场取证应由授权的失效分析人员执行,并授权收集一切有关的背景材料。失效现场取证可用摄影、录像、录音和绘图及文字描述等方式进行记录。

失效现场取证所应注意观察和记录的项目主要有:

(1) 失效部件及碎片的名称、尺寸大小、形状和散落方位。

(2) 失效部件周围散落的金属屑和粉末、氧化皮和粉末、润滑残留物及一切可疑的杂物和痕迹。

(3) 失效部件和碎片的变形、裂纹、断口、腐蚀、磨损的外观、位置和起始点,表面的材料特征,如烧伤色泽、附着物、氧化物和腐蚀生成物等。

(4) 失效设备或部件的结构和制造特征。

(5) 环境条件(失效设备的周围景物、环境温度、湿度、大气和水质) 。

(6) 听取操作人员及佐证人介绍事故发生时情况(录音记录) 。

在观察和记录时要按照一定顺序,避免出现遗漏。例如观察和记录时由左向右、由上向下、由表及里和由低倍到高倍等。

所应收集的背景材料通常有:

(1) 失效设备的类型、制造厂名、制造日期、出厂批号,用户、安装地点、投入运行日期、操作人员、维修人员、运行记录、维修记录、操作规程和安全规程。

(2) 该设备的设计计算书及图纸、材料检验记录、制造工艺记录、质量控制记录、验收记录和质量保证合同及其技术文件,还有使用说明书。

(3) 有关的标准、法规及其他参考文献。

(4) 收集同类或相似部件过去曾发生过的失效情况。

3 　制定失效分析计划

只有极少数的情况下,通过现场和背景材料的分析就能得出失效原因的结论。大多数失效案例都需根据现场取证和背景材料的综合分析结果来制定失效分析计划,确定进一步分析试验的目的、内容、方法和实施方式。

在制定失效分析计划前要初步确定肇事件(确定肇事件的方法在后续讲座中有详细介绍) ,通过肇事件的分析可以判断失效模式、确定失效原因和机理,失效分析的详细计划是围绕着肇事件进行的,因此,确定肇事件是一项非常重要的工作。

失效分析计划由授权的分析人员制定,根据具体情况或要求,可由有关方面的代表参加讨论。

失效分析试验过程通常包括如下内容: ①金相检查; ②化学成分分析; ③无损检测; ④材料性能测试; ⑤试样的选取、保护和清洗; ⑥ 试样的宏观检查和分析; ⑦试样的微观检查和分析; ⑧断裂力学分析; ⑨模拟试验等。

对各项试验方案应考虑其必要性、有效性和经济性。一般宜先从简单的试验方法入手,如有必要时才进一步采用费用高的和较复杂的试验方法。如确属必要进行失效模拟试验,其设计应尽可能模拟真实的工况条件,使之具有说服力。

从失效部件上和残留物上制取试件或样品,对于失效分析的成败具有十分重要意义,务必要周密计划切取试样的位置、尺寸、数量和取样方法。应当特别强调,失效部件和残留物上具有说服力的位置和尺寸是十分有限的,一旦取样失误,就无法复原而完全丧失说明力,致使整个失效分析计划归于失败,造成不可挽救的后果。

失效分析计划要留有余地,以便在个别试验中发现意外现象时,为了适应新的情况,可中途改变某些方法,或做补充试验。

4 　执行失效分析计划

失效分析的各项试验应严格遵照计划执行,要有详细记录,随时分析试验结果。失效分析的试验一般具有几个不同于一般科研试验的特点,应特别予以重视。

(1) 一般都要求在很短的时间内取得试验结果,因此既要保证按时完成、又要防止在匆忙中发生疏忽和差错。

(2) 许多失效分析工作涉及法律问题,为此,各项试验工作应建立严格的责任制度。试验人员在试验记录和报告上签名。

(3) 试件、样品都要直接取自失效实物,一般不能用其它来源的试件样品代替。

(4) 失效分析是人们进一步认识未知客观世界的一种科研活动,试验人员切不可在思想上存在先入为主的概念,错误认为失效分析的试验只不过是已知条件的复验、以致放松对试验过程中出现新现象的观察。实际上,失效分析往往含有新发现和技术突破,试验人员更应注意观察这种试验的全过程。

5 　综合评定分析结果

授权的失效分析人员,要经过充分的讨论,对现场发现、背景材料及各项试验结果做综合分析,确定失效的过程和原因,做出分析结论。

综合分析,特别是在复杂的失效案例情况下,可来用故障树(Fault Tree) 找其它形式的逻辑图分析方法。

在大多数情况下,失效原因可能有多种。应努力分清主要原因和次要原因。

综合分析讨论会应有详细的发言记录和代表共同意见的会议纪要及与会人员签名,并存入失效案例档案。

6 　研究补救措施和预防措施

失效分析的目的不仅限于弄清失效原因,更重要的还在于研究提出有效的补救措施和预防措施。从大量同类和相似失效案例分析积累的丰富经验有利于这类措施的研究。

补救措施和预防措施可能涉及设备的设计结构、制造技术、材料技术、运行技术、修补技术以及质量管理的改进,乃至涉及技术规范、标准和法规的修订建议。这类研究工作量往往很大,除个别简单情况可由承担失效分析的人员进行外,一般由失效分析人员提出问题或补救方案,由负责单位责成有关专业部门或单位进行专题研究,提出研究报告,作为改进设备的依据。

7 　起草失效分析报告

失效分析报告一般可不规定统一的格式,但行文要简练,条目要分明,内容一般应包括下列项目:

(1) 题目;

(2) 任务来源,包括任务下达者及下达日期,任务内容简述,要求的分析目的;

(3) 各项试验过程及结果;

(4) 分析结果———失效原因;

(5) 补救措施和预防措施或建议;

(6) 附件(原始记录、图片等) ;

(7) 失效分析人员签名及日期。

对于大宗同类产品的失效分析,宜规定一定的报告形式。以便于事后的统计分析工作和计算机辅助失效分析。

8 　评审失效分析报告

失效分析评审会的组织形式及其参加人员可由有关方面协商决定,一般宜由失效分析工作人员、失效设备的制造厂商代表、用户代表、管理部门代表、司法部门代表和聘请的其他专家组成。各方面代表应本着尊重科学、尊重事实和法律的态度履行其评审职责,不得对失效分析人员以任何形式施加不正当的压力和影响。失效分析人员的客观公正立场应受维护和尊重。

9 　提出失效分析报告

失效分析报告通过评审后,按评审决议修改并制定成报告正式文本,内容项目除起草报告中的7项外,还宜增加下列3 项: ①评审意见,包括评审人员签名及日期; ② 呈送及抄送单位,包括抄送反馈系统; ③密级。

10 　反馈失效分析成果

反馈系统是失效分析成果的管理系统,目的在于充分利用失效分析所获得的宝贵技术信息、推动技术革新、促进科学进步和提高产品质量。

失效分析的反馈系统可采取多种组织形式,例如可与企业的技术开发和情报部门结合,可与国家的质量管理部门、可靠性研究中心、数据中心及数据交换网相结合。把输入的大量失效分析报告和来自数据交换网的其他信息,经过分类、统计分析、数据处理,制成各种形式的文献,例如快报、数据手册、指导性文件、年鉴和书刊等,传递到各个经济部门、生产部门、科研部门、教育部门和司法部门及新闻部门,把失效造成的损失化为巨大的效益。

　

本文摘自 理化检验-物理分册 2005年第41卷2