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目錄
第1章 緒論
1.1 失效分析的發(fā)展簡況…………………………………………（1）
1.2 失效分析的意義………………………………………………（2）
1.3 本論文的主要工作內(nèi)容……………………………………（3）
1.4 本論文的研究方法 …………………………………………（3）
第２章 失效分析的方法
2.1 失效分析概況……………………………………………… （4）
2.1.1 失效分析的基本概念……………………………………（4）
2.1.2 失效的主要來源及模式……………………………… （4）
2.2 常用失效分析方法及技術(shù)………………………………… （5）
2.2.1失效分析的思路………………………………………… （5）
2.2.2常用失效分析技術(shù) ………………………………… （6）
2.3系統(tǒng)分析方法……………………………………………… （9）
2.4 本章小結(jié)…………………………………………………… （10）
第3章 MWM-V6型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析……………………………………………（11）
3.1.1 斷裂宏觀檢查…………………………………………（11）
3.1.2 軸頸表面殘余應(yīng)力測定……………………………… （11）
3.2 討論…………………………………………………………（12）
3.3 對改進(jìn)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量的意見……………………………（13）
3.4 本章小結(jié)……………………………………………………（13）
第4章 軸類零件失效的系統(tǒng)分析
4.1故障樹分析法…………………………………………………（14）
4.1.1 FTA的背景和基本概念………………………………（14）
4.1.2 FTA的表示法…………………………………………（14）4.1.3FTA舉例…………………………………………………（14）
4.2 軸件失效地系統(tǒng)分析………………………………………（16）
4.3 討論……………………………………………………… （28）
4.4 小結(jié)…………………………………………………………（28）
結(jié)束語………………………………………………………………（30）
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………（31）
致謝信………………………………………………………………（32）
摘 要
本論文首先簡要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)和失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術(shù)有感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測試技術(shù)、無損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測試。本論文對河南柴油機(jī)廠生產(chǎn)MWM＿ V1型柴油機(jī)曲軸斷裂進(jìn)行了失效分析，MWM＿ V12型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析結(jié)果表明該曲軸材料的冶金缺陷是導(dǎo)致疲勞裂紋在正常工作應(yīng)力下過早形成的原因。同時軸頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理；工作過程中潤滑條件較差，促進(jìn)了曲軸的早期斷裂。
本文還利用系統(tǒng)分析方法中的故障樹分析法描述了軸類零件斷裂的各種可能原因，在工作過程中所受到的載荷進(jìn)行系統(tǒng)的分析。 為曲軸斷裂診斷知識的獲取提供了實(shí)際知識庫基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：曲軸；過熱：過燒：斷裂；故障樹分析法； 知識庫； 失較分析； 專家系統(tǒng)； 系統(tǒng)分析方法
第一章 緒論
1.1 失效分析的發(fā)展簡況
長期以來，人類在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷與產(chǎn)品失效作斗爭，但失效分析僅作為零星、分散、宏觀的經(jīng)驗(yàn)世代相傳。失效分析作為一種學(xué)科分支還是近半個世紀(jì)的事情。材料科學(xué)的興起、先進(jìn)測試技術(shù)的應(yīng)用以及近代物理、化學(xué)等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。在此基礎(chǔ)上，失效分析走上系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段。近半個世紀(jì)所積累的失效分析知識與技術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識的總和。但這種知識必然隨著人類生產(chǎn)實(shí)踐和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展．雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進(jìn)，使得產(chǎn)品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不會最終消失。而且，產(chǎn)品的自動化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴(yán)重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。
遠(yuǎn)在 1862年英國建立世界第一個蒸氣鍋爐監(jiān)察局時，失效分析就被作為法律仲裁產(chǎn)品質(zhì)量事故的技術(shù)判斷手段。在1938-1945年間，美國質(zhì)量管理學(xué)會發(fā)起 “失效廢品檢驗(yàn)規(guī)劃”，號召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問題而發(fā)展起來的可靠性理論使失效分析進(jìn)入到一個新的階段。到六十年代，人們更開始了機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)可靠性理論的研究。近年來，失效物理和失效分析在這種認(rèn)識推動下，也得到了很大的重視和發(fā)展。失效分析推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，在國民經(jīng)濟(jì)中有重要作用和意義。
早在遠(yuǎn)古時代，人們對產(chǎn)況，失效就有了宏觀認(rèn)識。產(chǎn)品失效真正給人類帶來嚴(yán)重的危害，則是從 100多年前的工業(yè)革命開始的。當(dāng)蒸汽動力和大機(jī)器生產(chǎn)給人類社會帶來巨大進(jìn)步的同時，產(chǎn)品失效也給人類帶來了前所未有的災(zāi)難性事故。因而1862年，英國建立了世界上第一個蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段。隨后，在工業(yè)化國家中，對失效產(chǎn)品進(jìn)行分析的各種機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)。
隨著科技的突飛猛進(jìn)，系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜，功能不斷提高，其不可靠和不安全因素增多，導(dǎo)致故障的原因也增多，因而對故障的分析研究工作亦越來越受到世界各國的關(guān)注。工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭的結(jié)果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因?yàn)榧词购教祜w機(jī)這么先進(jìn)的運(yùn)載工具也可能發(fā)生故障，如美國的價值 12億美元的“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)，在1986年1月28日第11次升空時突然爆炸，使七名宇航員遭難，這一慘痛悲劇再次告誡人們忽視產(chǎn)品失效問題將帶來災(zāi)難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條件下所做的一次最真實(shí)最可靠的科學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果；通過失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素 （相關(guān)因素），也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而可以改進(jìn)有一關(guān)部門的工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
1.2 失效分析的意義
失效分析是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)之一,是安全工程的重要技術(shù)保證之一；是維修工程的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因而開展失效分析工作是非常有意義的，其重要性一般包括以下幾個方面：
1. 可以保證產(chǎn)品的可靠性，減少由于設(shè)備失效造成的人身傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失；
2. 可以從中吸取大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以利制定和完善產(chǎn)品質(zhì)量管理的有關(guān)文件、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，是產(chǎn)品質(zhì)量管理的一個重要環(huán)節(jié)；
3. 有助于及時 “吃透”國外先進(jìn)技術(shù)，提高引進(jìn)速度、質(zhì)量和效率；
4. 通過對進(jìn)口設(shè)備的失效分析可以為向外商索賠提供依據(jù)或技術(shù)仲裁：
5. 可以使設(shè)備維修工作建立在失效分析的基礎(chǔ)上，從而取得良好的事故預(yù)防；
6. 失效分析的結(jié)果也是現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的適用性的實(shí)地檢驗(yàn)，可作為修訂和制訂文件的依據(jù)；
7. 失效分析的統(tǒng)計資料是制訂科技開發(fā)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，失效分析可以為各級人員正確處理現(xiàn)場技術(shù)問題提供科學(xué)的依據(jù)。
在我國，由于長期的歷史原因，現(xiàn)有設(shè)備超期服役帶病運(yùn)行相當(dāng)普遍，有相當(dāng)一部分設(shè)備存在著各種結(jié)構(gòu)缺陷、工藝缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不當(dāng)產(chǎn)生的裂紋或損傷腐蝕介質(zhì)影響或長期超載運(yùn)行等。若盲目使用這些設(shè)備而不及時采取措施進(jìn)行監(jiān)控和防預(yù)，必將發(fā)生事故。因而，為了盡量減少事故的發(fā)生，需要進(jìn)行失效分析研究。目前國內(nèi)關(guān)于失效分析方面的研究比較多，他們大多采用傳統(tǒng)的宏觀、微觀分析法對失效原因進(jìn)行分析。本文首先也將采用宏觀、微觀分析法分析兩根曲軸的斷裂原因，另外，本文還將嘗試?yán)肍TA這一系統(tǒng)分析法進(jìn)行失效分析。
某廠從德國引進(jìn)了 MWM 柴油機(jī)生產(chǎn)技術(shù)。近幾年，該廠生產(chǎn)的MWM柴油機(jī)曲軸陸續(xù)發(fā)生斷裂事故，先后有20來根MWM柴油機(jī)曲軸在使用過程中發(fā)生斷裂。這是一個重大的產(chǎn)品質(zhì)量問題，不僅給該廠造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還對該廠的市場銷售、質(zhì)量信譽(yù)產(chǎn)生不良影響，因而需要盡快解決這一問題。本課題就是在這個工程背景下，受該廠委托，試圖對其中兩根斷軸進(jìn)行失效分析，以期找到失效的真正原因。本課題的主要工作內(nèi)容和研究方法。
1.3 本論文的主要工作內(nèi)容
1．某廠生產(chǎn)的一根MWM-V6型柴油機(jī)曲軸發(fā)生斷裂，本文運(yùn)用宏、微觀方法對之進(jìn)行失效分析，給出其斷裂的原因。
2．另一根MWM V-12型柴油機(jī)曲軸也發(fā)生了斷裂，本文運(yùn)用宏、微觀方法對之進(jìn)行失效分析，給出其斷裂的原因。
3．本文還利用故障樹分析法對軸類零件的斷裂原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，并給出軸類零件斷裂原因的故障樹，為其專家系統(tǒng)的建立提供故障樹基礎(chǔ)。
1.4 本論文的研究方法
本論文首先對MWM-V6及MWM-V12型柴油機(jī)曲軸的斷口進(jìn)行宏觀觀察，進(jìn)而利用掃描電鏡進(jìn)行微觀斷口分析，并采用金相方法分析斷口附近的夾雜物，然后利用掃描電鏡所帶的能譜儀測量夾雜物的成分，確證曲軸斷裂的原因。通過各方面的學(xué)習(xí),對曲軸工作過程中的受力情況和工作環(huán)境對曲軸失較的影響.本文還利用FTA這一系統(tǒng)分析法對軸類零件斷裂的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。
第２章 失效分析的方法
2.1 失效分析概況
2.1.1 失效分析的基本概念
所謂失效，按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB3187－A2《可靠性基本詞術(shù)語及定義》，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障11μm。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機(jī)理，并采取補(bǔ)救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動與管理活動，叫作 “失效分析”。因此失效分析是可靠性工程的重要組成部分，也是保證產(chǎn)品可靠性而需建立的反饋系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。
失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安全生產(chǎn)、設(shè)計、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)、材料學(xué)、測試技術(shù)、金屬學(xué)、金屬工藝、強(qiáng)度計算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領(lǐng)域的綜合學(xué)科，它包括三個方面：
1．事前故障的預(yù)測技術(shù)，如可靠度計算、故障率評價和可靠性分析法（故障樹分析FTA，故障模式和影響分析FMEA，事件樹分析ETA等）；
2．事中故障診斷技術(shù) （應(yīng)力定量化技術(shù)、故障檢測及故障征兆診斷技術(shù)、設(shè)備或系統(tǒng)強(qiáng)度、故障性能定量化及劣化定量化技術(shù)等）；
3．事后失效分析 （壽命預(yù)測技術(shù)、故障機(jī)理、失效模式的測定技術(shù)、失效評定的標(biāo)準(zhǔn)、維修技術(shù)等）。
上述事后失效分析也即是失效分析或故障分析，是指事故或故障發(fā)生后的檢測和分析，以便找到失效的部位、原因和機(jī)理；掌握產(chǎn)品的改進(jìn)線索或
修復(fù)方法，防止問題重復(fù)發(fā)生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預(yù)防發(fā)展到事中監(jiān)控。
2.1.2 失效的主要來源及模式
失效經(jīng)常是由多方面原因造成的，其主要來源包括設(shè)計、選材、材料缺陷、制造工藝、再加工、組裝、檢查、試驗(yàn)、質(zhì)量控制、貯運(yùn)、工作條件、維修和工作中預(yù)先未暴露的過載以及機(jī)械的或化學(xué)的損傷等。
1.設(shè)計上的缺點(diǎn)：機(jī)械缺口、改變設(shè)計、零件的升級使用．
2.金屬部件的各種失效模式
（1）過量變形:
力和溫度或者力或溫度引起彈性變形；屈服；壓痕：蠕變：沖擊變形
（2）表面損傷:
ａ．粘著磨損；ｂ．磨粒磨損：ｃ．腐蝕磨損：ｄ形變磨損：ｅ．沖擊磨損：f. 微振磨損；g.陣接觸疲勞磨損：ｈ.剝落；
（3）腐蝕:
a．均勻腐蝕：b．縫隙腐蝕：c．電池作用腐蝕：d點(diǎn)腐蝕；
e．品間腐蝕：f．選擇浸出：g．沖蝕：ｈ．氣蝕：ｉ．氫損傷：
Ｉ．生物腐蝕；ｋ．應(yīng)力腐蝕；Ｌ微振腐蝕
3．?dāng)嗔?
（1）延性斷裂
（2）脆性斷裂
（3）沖擊斷裂
4．疲勞斷裂
ａ．高溫疲勞；ｂ．高周疲勞；。低周疲勞；ｄ．熱疲勞；ｅ．接觸疲勞；ｆ．沖擊疲勞：陣腐蝕疲勞；ｈ．微振疲勞
5．應(yīng)力持久斷Ｒ
6．蠕變一疲勞復(fù)合斷裂
2.2 常用失效分析方法及技術(shù)
2.2.1失效分析的思路
失效分析思路是對于己經(jīng)發(fā)生的事故考慮從什么地方開始，沿著什么樣的程序去分析研究故障現(xiàn)象的因果關(guān)系，確定事故原因，完成分析任務(wù)。斷裂失效分析思路一般是：斷裂失效事故一故障件裂紋或斷口分析￣力學(xué)性能分析￣顯微組織分析￣結(jié)構(gòu)受力分析￣使用維護(hù)分析。必要時可進(jìn)行工藝分析、材料成分分析、環(huán)境分析、相結(jié)構(gòu)分析和殘余應(yīng)力分析。
1．失效分析的具體過程
（1）調(diào)查研究
① 向機(jī)器操作者調(diào)查破壞過程，觀察破壞現(xiàn)場，了解破壞構(gòu)件在機(jī)器的部位和工作情況。
② 向生產(chǎn)工人和技術(shù)人員調(diào)查構(gòu)件的生產(chǎn)工藝歷史和工藝參數(shù)。
③ 向設(shè)計人員調(diào)查構(gòu)件的設(shè)計過程和設(shè)計計算。
?、?外觀檢查，觀察破壞構(gòu)件的外形特征。
?、?服役條件、工作環(huán)境等的綜合分析。
（2） 斷口分析、破面分析、變形量測定
?、?斷裂試樣的正確選擇及切取。
② 斷口的宏觀分析。
?、?斷口的微觀分析。
（3） 內(nèi)在質(zhì)量的檢驗(yàn)
① 低倍檢驗(yàn)：主要檢查夾雜、氣孔等低倍檢查項(xiàng)目。
?、?金相組織分析：檢查破斷零件的裂紋分布及走向，金相組織是否正常。
?、?材料的化學(xué)成分分析：主要復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分是否合乎零件的要求，以及雜質(zhì)、偏析和可能引起問題的微量元素在材料中的含量及大致分布。
?、軝C(jī)械性能測定：主要復(fù)驗(yàn)材料的常規(guī)機(jī)械性能是否合格，據(jù)構(gòu)件破壞部位的幾何形狀、應(yīng)力分布情況、負(fù)載的變化等情況與該類情況下的靜／動機(jī)械性能比較。
（4） 判明失效的原因：據(jù)上面的調(diào)查研究及實(shí)驗(yàn)檢查結(jié)果，綜合分析造成構(gòu)件失效的原因。
（5） 提出改進(jìn)措施
（6） 實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)
２．２．２常用失效分析技術(shù)
失效分析技術(shù)是指在各種失效分析方法中具體所采用的分析技術(shù)和手段。對失效分析對象而言，失效分析技術(shù)從總體上可分為非破壞性和破壞性失效分析技術(shù)，具體可分為 ．感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測試技術(shù)、無損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測試等．
1．感官檢查診斷技術(shù)
失效分析與醫(yī)生看病或偵察案件相似，對信息資料既要單獨(dú)和分類推敲，又要綜合分析，通盤考慮，然后提出疑問、假設(shè)，進(jìn)一步有針對性地補(bǔ)充信息資料，多方考核，驗(yàn)證假設(shè)，從眾多原因中，逐步確定取舍，從而得出可靠結(jié)論，并提出切實(shí)可行的預(yù)防措施，最后在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證。
感官檢查是一種直觀、簡潔、使用方便、可靠性好的應(yīng)用技術(shù)。主要依靠人體感官功能和智力、經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合來獲取、存儲、加工處理信息，達(dá)到分析目的。它主要包括視覺檢查、觸覺檢查、嗅覺檢查等。
2．痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)
失效分析中進(jìn)行宏觀、微觀分析時都離不開痕跡分析。通過痕跡分析，不僅可對事故和失效的發(fā)生、發(fā)展過程作出判斷，并可為事故和失效分析結(jié)論提供可靠的佐證和依據(jù)。所謂痕跡分析就是對表面形貌 （花樣）的變化、成分的變化 （或材料的遷移）、顏色的變化、表層組織、性能的變化、殘余應(yīng)力的變化、以及表面污染狀態(tài)的變化等變化特征進(jìn)行診斷鑒別，找出變化的原因，為事故和機(jī)械失效分析提供線索和證據(jù)。其主要研究內(nèi)容是：
① 研究機(jī)械表面上形成痕跡的物理、化學(xué)過程 （即機(jī)制）；
?、?研究痕跡對機(jī)械結(jié)構(gòu)及其功能的影響；
?、?研究不同材料表面性能與痕跡的關(guān)系及其在機(jī)械失效分析中的應(yīng)用；
?、?痕跡的理化檢驗(yàn)方法；
在一般情況下，痕跡分析程序是；
?、賹ふ?、發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡；
?、诤圹E的提取、固定、顯現(xiàn)、清洗、記錄和保存；
?、坭b定痕跡 （這是痕跡分析的重點(diǎn)工作）一般原則是由表及里，由簡而繁，先宏觀后微觀，先定性后定量。遵循形貌一成分￣組織結(jié)構(gòu)、性能的分析順序；
?、?痕跡的模擬再現(xiàn)試驗(yàn)：
⑤綜合性分析：
?、?做分析結(jié)論并寫出有建設(shè)性意見的報告。
3．?dāng)嗫诤土鸭y分析技術(shù)
斷口和裂紋分析一般包括宏觀分析與微觀分析兩個方面。前者指用肉眼或 40倍以下的放大鏡、實(shí)休顯微鏡對斷口或裂紋進(jìn)行觀察分析，可有效地確定斷裂起源和擴(kuò)展方向：后者指用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等對斷口或裂紋進(jìn)行觀察、鑒別與分析，可以有效地確定斷裂類型與機(jī)理。宏觀分析和微觀分析是不可分割的整體，二者不可互相取代，只能互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)。過分依賴微觀分析而不重視宏觀分析，只根據(jù)幾個微觀視場的特征就作出判斷，往往會導(dǎo)致全局性的判斷失誤；反之，忽視微觀分析只進(jìn)行宏觀分析，則可能得出膚淺乃至錯誤的結(jié)論。斷口和裂紋分析技術(shù)一般包括：
分析對象的確定與顯示技術(shù)、觀察與照相記錄技術(shù)、識別與診斷技術(shù)、定性與定量分析技術(shù)及儀器與設(shè)備的使用技術(shù)等。
4．化學(xué)成分分析技術(shù)
在失效分析中，常常需要對失效零件的材料成分 （包括定牌號、全成分或部分成分）、外來物 （如擦痕或?yàn)R射附著物）、表面沉積物、腐蝕生成物及氧化物等進(jìn)行定性或定量的分析，以便為最終的失效分析結(jié)論提供依據(jù)。
ａ．常規(guī)分析技術(shù)
該技術(shù)主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分，其主要方法有：
?、?濕法化學(xué)分析：可準(zhǔn)確分析含量較大的金屬，陰離子的有無及其濃度；
② 半定量發(fā)射光譜和原子吸收光譜：用于分析合金成分；
?、?燃燒法：用于測定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量；
?、?點(diǎn)滴法：可簡單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、土壤等；
⑤ 紅外、紫外光譜：用于檢測有機(jī)物質(zhì)。
ｂ．表面及微區(qū)分析技術(shù)
在失效分析中，相對于名義或宏觀區(qū)域的成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)成分分析更為重要，尤其是對表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有：俄歇電子譜儀、離子探針、電子探針、ｘ射線能譜儀、ｘ射線波長譜儀等。在掃描電鏡上可裝置俄歇電子譜儀、ｘ射線能譜儀、ｘ射線波長譜儀等，以滿足微區(qū)成分分析的需要。
5．性能測試技術(shù)
對于一些重大的、復(fù)雜的斷裂或變形失效，往往必須作力學(xué)性能方面的試驗(yàn)分析工作，優(yōu)先考慮的試驗(yàn)有硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等，若上述試驗(yàn)不足以說明結(jié)論意見時，可進(jìn)一步取樣作其它性能試驗(yàn)，如拉伸試驗(yàn)、ＫＩＣ，ｄａ／ｄＮ、耐磨性及腐蝕敏感性試驗(yàn)等。
6．無損檢驗(yàn)技術(shù)
無損檢驗(yàn)就是應(yīng)用一些物理現(xiàn)象，在不改變材料或零件形狀和性能 （包括機(jī)械性能和化學(xué)性質(zhì)）條件下，迅速可靠地確定其表面或內(nèi)部裂縫和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置的方法。在失效分析中應(yīng)用無損檢測技術(shù)的目的在于：
① 檢查失效件的同批服役件、庫存件，防止同類事故的發(fā)生，若能查出第二件、第三件，則更有利于失效性質(zhì)及失效原因的分析判斷；
② 某些容器、管道、殼體，甚至一些復(fù)雜形狀的系統(tǒng)裝置出現(xiàn)裂紋或泄露時，常需要借助于無損檢測技術(shù)來確定其確切部位，以便取樣分析或采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施；
?、?在脆性破壞中，利用無損檢驗(yàn)技術(shù)來檢測監(jiān)視臨界裂紋長度，防止發(fā)生脆斷。
無損檢驗(yàn)是一門系統(tǒng)而復(fù)雜的新興學(xué)科，其檢驗(yàn)方法己有十多類，有的正在不斷完善，并向著自動化，提高性能及靈敏度，使用電視裝置等方面發(fā)展 （如 ｘ射線探傷、磁力探傷、超聲波探傷等），有的還在發(fā)展中。根據(jù)無損探傷的原理，其檢驗(yàn)方法大致可分為五類：放射性探傷、電磁探傷、聲試驗(yàn)法探傷、滲透法探傷和熱試驗(yàn)法探傷。
7．宏觀殘余應(yīng)力測試
金屬零件經(jīng)各種冷熱加工 （如切削、磨削加工、裝配、冷拔、熱處理等）之后，其內(nèi)部或多或少都存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對材料的疲勞、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性都有影響，甚至在服役過程中引起相變。據(jù)最近的調(diào)查分析，由于殘余應(yīng)力影響或?qū)е碌臋C(jī)械零件失效達(dá) 80％以上。因此在失效分析中，常需對機(jī)械零部件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測定。宏觀殘余應(yīng)力測定方法很多，如電阻應(yīng)變片法、光彈性復(fù)膜法、脆性涂料法、ｘ射線法及聲學(xué)法等。
面對如此繁多的失效分析實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)，在進(jìn)行某項(xiàng)具體的失效分析時該選用哪些檢測技術(shù)，應(yīng)根據(jù)失效現(xiàn)象的復(fù)雜程度，同時考慮失效分析的深度、時間性和經(jīng)濟(jì)性；即要依據(jù)失效分析的實(shí)際需要，檢測技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)性選用實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)。
２．３系統(tǒng)分析方法
隨著科技的不斷進(jìn)步，設(shè)備日益復(fù)雜龐大，其失效因素除物的因素外，還包括人的許多因素 （如管理不善、判斷失誤、操作過失、責(zé)任心不強(qiáng)等）和軟件方面的因素 （如計算機(jī)程序錯誤）。龐大復(fù)雜的設(shè)備可能的失效原因常常不止一個或幾個，而是ＩＬ十個、甚至更多；若僅用物理失效方法難于解決復(fù)雜系統(tǒng)的失效分析任務(wù)。而且目前一般的失效分析都是 “手工”操作，分析耗時長，對核電站泄漏之類需在較短時間作出判斷和處理的情況很難勝任。因此，對復(fù)雜而緊迫的設(shè)備失效分析，必須應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想和方法。
失效分析的系統(tǒng)工程方法有許多種，其中最常見的有：故障樹分析法（FTA）、特征一因素圖分析法、失效模式與后果分析法 （FMEA）、事件時序樹分析法 （ETA）等。
此外，日本石川發(fā)明的特征一因素圖分析法是將己表現(xiàn)出來的失效或異常現(xiàn)象 （即表現(xiàn)出的結(jié)果稱作特征）和引起這些現(xiàn)象的那些因素，用“魚骨”結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，通過分析找出這些現(xiàn)象的直接原因。事件時序樹分析法從認(rèn)為是失效原因的初始事件出發(fā)，按時間順序追蹤，到設(shè)備或系統(tǒng)失效的最終事件為止 （相當(dāng) FTA的頂端事件），按零件的功能和應(yīng)用的順序，把在阻止事件發(fā)生上是成功的或失敗的事件展開成樹形圖。ETA 是從原因到結(jié)果，正好與FTA相反。
２.４ 本章小結(jié)
本章主要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)和失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術(shù)中主要介紹了感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測試技術(shù)、無損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測試。失效的系統(tǒng)分析方法則主要介紹了FTA及FMEA兩種方法。
第三章 MWM-V6型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析
本章分析了MWM-V6型柴油機(jī)曲軸斷裂原因，結(jié)果表明鍛件過熱過燒是導(dǎo)致斷裂的直接原因；曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤滑條件不良加速了曲軸斷裂。本章還對加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理和失效分析工作提出了意見．
該MWM-V6型柴油機(jī)曲軸，作為某漁船主機(jī)，于1997年11月裝船作業(yè)，至 1998年 1月發(fā)生曲軸斷裂事故。斷裂發(fā)生于B1缸連桿軸頸，屬典型的早期斷裂。
該曲軸采用42CrMo電渣重熔鋼制造，其主要工藝流程為：
下料-模鍛-調(diào)質(zhì)-冷加工-中頻感應(yīng)淬火-回火-精磨。大約同期出廠的一批柴油機(jī)發(fā)生多起類似的斷軸事故。
其模鍛件由模鍛件廠供貨，其他工序在柴油機(jī)生產(chǎn)廠完成。中頻淬火只對軸頸平直段進(jìn)行，軸頸與曲柄連接的過渡圓角部位，因后續(xù)磨削工藝裝備尚未完善而不進(jìn)行中頻淬火處理。按技術(shù)條件規(guī)定軸頸經(jīng)表面淬火后，其硬度達(dá)586HRC。
MWM 機(jī)型是我國近年來引進(jìn)的柴油機(jī)系列產(chǎn)品，目前正處于技術(shù)消化和應(yīng)用推廣階段，其生產(chǎn)過程中，因某些工藝環(huán)節(jié)尚存在不盡完善或不太合理的地方而影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致個別零件早期失效，是在所難免的，屬于發(fā)展中的問題，需在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，日臻完善，完成國產(chǎn)化進(jìn)程。但該MWM-V6機(jī)因曲軸斷裂，使整機(jī)壽命只有幾十個小時，當(dāng)屬嚴(yán)重的質(zhì)量事故。對此類事故，若不查明原因，采取改進(jìn)措施，防止類似事故重復(fù)發(fā)生，該產(chǎn)品將喪失其機(jī)械產(chǎn)品信譽(yù)和競爭能力。
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1.1 斷裂宏觀檢查
該連桿軸頸靠近斷口一端嚴(yán)重磨損，表面粗糙，呈焦油色，該區(qū)域內(nèi)的斷口表面也呈焦油色。整個斷口表面較粗糙，部分呈粗糙的貝紋花樣，貝紋間隔為3-5mm,屬疲勞斷裂區(qū)；部分為靜段區(qū)，呈暗灰色，其中兩處有石狀斷口特征。疲勞區(qū)約占斷口總面積62%。
3.1.2 軸頸表面殘余應(yīng)力測定
軸頸表面殘余應(yīng)力測定利用 ｘ射線方法測（211）衍射譜線半高寬?確定軸頸表面殘余應(yīng)力，測試結(jié)果表明，在過渡圓角未淬火部位出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力約 35MPa，己淬火表面均為殘余壓應(yīng)力，軸頸中段殘余壓應(yīng)力平均為800MPa，如圖3.8。
圖3.8 連桿軸頸表面淬火后沿長度分布?xì)堄鄳?yīng)力
３.２ 討論
上述結(jié)果表明，該曲軸鍛造過燒，導(dǎo)致晶界氧化物和晶界開裂等不可消除的缺陷，是構(gòu)成石狀斷口的本質(zhì)原因。又因終鍛溫度過高導(dǎo)致大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出，嚴(yán)重地削弱了晶界結(jié)合力，造成材料疲勞強(qiáng)度的嚴(yán)重?fù)p傷。裂紋源于曲柄／連桿軸頸的過渡圓角處，此處存在應(yīng)力集中：測得圓角半徑，6.5ｍｍ，根據(jù)應(yīng)力集中手冊ｔ，該處彎曲應(yīng)力集中系數(shù)為Ｋｒ(b)＝1.93，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)K＝1.58。顯然，這里應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)化。
洛氏硬度的測試結(jié)果表明，該軸的表面淬火硬度較技術(shù)要求低約 25％，導(dǎo)致材料的疲勞極限也損失約25％；同時熱處理工藝中對曲柄／軸頸圓角處沒有進(jìn)行淬火處理。從抗疲勞失效的角度考慮，圓角部位是最應(yīng)該強(qiáng)化的地方，但在本曲軸上卻成為最削弱的地方。冶金因素造成的材料損傷與軸頸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特點(diǎn)的迭加，必然在圓角部位首先形成裂紋?！ ?
前己述及，該曲軸工作過程中潤滑不良，軸頸磨損嚴(yán)重，這也必然導(dǎo)致軸頸所受扭矩增大，對于扭轉(zhuǎn)載荷來說，連桿軸頸成為最薄弱環(huán)節(jié)，裂紋形成后向軸頸內(nèi)部擴(kuò)展并表現(xiàn)出剪應(yīng)力起主導(dǎo)作用的裂紋特征，形成斜斷口 。
當(dāng)裂紋擴(kuò)展到接近最終裂紋尺寸時，將會引起過量變形，從而影響運(yùn)動精度，隨之而來的是震動和噪音加大，磨損加劇，局部溫升，抱軸等，以致殘留的軸頸截面被扭斷。軸頸上和斷口上的局部焦油色就是在這一過程中形成的。
３.３ 對改進(jìn)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量的意見
目前國產(chǎn)柴油機(jī)曲軸斷裂 （尤其早期斷裂）仍是普遍存在的問題。導(dǎo)致斷軸的原因主要是冷、熱加工以及配件質(zhì)量和使用維護(hù)等方面的問題。除這些直接原因外，在生產(chǎn)管理方面存在的問題，如對影響產(chǎn)品質(zhì)量的各環(huán)節(jié)的管理，充分發(fā)揮質(zhì)檢部門的作用，強(qiáng)化失效分析及信息反饋工作等，對實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品斷裂控制有更重要的影響。以本文的曲軸斷裂為例，熱加工缺陷固然是失效的直接原因，但存在如此缺陷的斷件又是如何從鑄鍛廠流入到柴油機(jī)廠的？本應(yīng)報廢的鍛件又是如何跟隨正品鍛件走完全部工藝流程，并通過檢驗(yàn)出廠的？同批進(jìn)廠鍛坯的曲軸連續(xù)發(fā)生的數(shù)起類似早期斷裂事故，想到我們需要消化吸收新技術(shù)以趕超先進(jìn)水平，看來充分發(fā)揮質(zhì)量管理部門的職能，強(qiáng)化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)和管理部門的質(zhì)量意識是何等重要。
3.4 本章小結(jié)
1．該曲軸因鍛造過燒造成晶界氧化物和晶界開裂等不可消除的缺陷，這也是造成石狀斷口的原因；終鍛溫度過高導(dǎo)致大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出，嚴(yán)重削弱了晶界結(jié)合力，損傷了材料的疲勞強(qiáng)度；這是該曲軸早期斷裂的直接原因。
2．該曲軸熱處理工藝不規(guī)范，非淬火帶超差，淬火帶硬度不足；熱處理工藝不完善，在曲柄／軸頸過渡圓角處存在應(yīng)力集中的地方，也就是在未淬火帶上，造成拉應(yīng)力。
3．該曲軸工作過程中潤滑條件不良。
第4章 軸類零件失效的系統(tǒng)分析
本章簡要介紹了系統(tǒng)分析方法中的故障樹分析法，并采用故障樹分析法對軸類零件的斷裂原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，列出了軸類零件斷裂的各種可能原因。本章也討論了故障樹和專家系統(tǒng)的關(guān)系。
軸類零件幾乎是任何機(jī)械設(shè)備中不可缺少的重要核心零件，其主要功能是支承旋轉(zhuǎn)零件或通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞動力或運(yùn)動。軸類零件失效將導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命。
軸類零件均要經(jīng)歷設(shè)計、選材、各種冷熱加工和裝配等工藝過程，其失效可能是由其中任一工藝的某個環(huán)節(jié)失誤引起，因而軸類零件可能的失效原因往往不止一個或幾個，而是幾十個甚至更多；失效也經(jīng)常不是由某一種原因引起，而是多種原因復(fù)合作用的結(jié)果；這就要求對軸類零件的失效作系統(tǒng)分析。
4．１ 故障樹分析法
4.1.1 FTA的背景和基本概念
FTA來自數(shù)學(xué)圖論中樹的概念和電子計算機(jī)的算法符號，是將系統(tǒng)、子系統(tǒng)、零部件、工藝因素、人為因素和零件結(jié)構(gòu)、性能等內(nèi)因、外因聯(lián)系起來作成的分層次因果樹形關(guān)系圖。
4.1.2 FTA的表示法
在FTA中，可以把一個準(zhǔn)備分析的設(shè)備稱為一個系統(tǒng)，把組成該設(shè)備的零部件稱作系統(tǒng)的組元；也可以將一個零件所經(jīng)歷的加工工藝過程和服役過程作為一個系統(tǒng)．FTA用于分析各種組元狀態(tài) （即事件）間的邏輯關(guān)系。表示狀態(tài)正常變化的事件是正常事件：反之，狀態(tài)變化未能實(shí)現(xiàn)組元的預(yù)定功能，或出現(xiàn)非預(yù)期的狀態(tài)變化的事件就是異常事件，也稱故障事件，簡稱事件 （Eｖｅｎｔ）。本文將以軸類零件的工藝過程作為一個系統(tǒng)。
故障樹分析法所用符號分兩類：事件符號，邏輯符號。其主要符號說明
4.1.3 FTA舉例
以焊接件為例解釋FTA的意義如下。焊接構(gòu)件破裂原因的分類；
圖4-1 焊接構(gòu)件破裂原因的部分FTA圖
上圖為焊接構(gòu)件破裂故障樹的一部分，其意義為：“材料問題”或 “施焊問題”是焊接構(gòu)件破裂的可能原因；“材質(zhì)不良”，“焊接性不良”或 “材料管理不善”導(dǎo)致 “材料問題”：“技術(shù)不成熟”，“焊接條件錯誤”，“過大約束”，“焊接工藝對材料不適當(dāng)”或 “預(yù)熱，后熱不當(dāng)”導(dǎo)致 “施焊問題”
顯然，該部分故障樹可以采用上面的描述方式轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可利用的形式，為進(jìn)一步建立焊接件破裂原因診斷專家系統(tǒng)提供知識庫基礎(chǔ)。
4.2 軸件失效地系統(tǒng)分析
4．3 討論
系統(tǒng)分析的首要任務(wù)是獲取信息，而不是建立系統(tǒng)模型。如果獲取的知識不準(zhǔn)確、不完善，建立的相應(yīng)的系統(tǒng)模型不會很有效；因而知識獲取是專家系統(tǒng)開發(fā)的一道關(guān)鍵工序X23， M7．在失效分析中，利用故障樹法建造的故障樹可為專家系統(tǒng)的知識庫提供基礎(chǔ)。在以后工作中不斷收集各種失效原因的概率，就可進(jìn)行可靠性定量分析，然后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施以降低故障發(fā)生的概率。這樣建立的專家系統(tǒng)可為生產(chǎn)廠家提供加工前的可靠性分析，采用合理的工藝過程，減少事故的發(fā)生。
由于軸類零件在各種機(jī)械設(shè)備中的重要地位，對其進(jìn)行徹底、全面的分析是十分有意義的；本文進(jìn)行了軸類零件失效原因的系統(tǒng)分析，由于缺乏各種可能原因的概率，文中沒有進(jìn)行定量分析；相信隨著科技的突飛猛進(jìn)，新情況、新問題的不斷出現(xiàn)，軸類零件失效系統(tǒng)必將逐步完善并得到更多的應(yīng)用。
4．4 小結(jié)
由于軸類零件加工工序較復(fù)雜，失效原因也較復(fù)雜，本文采用故障樹分析法給出了軸件失效的各種可能原因。軸類零件失效的系統(tǒng)分析為其工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠性分析的依據(jù)。另外，故障樹也為專家系統(tǒng)的建立提供了知識庫基礎(chǔ)。
本論文得到的主要結(jié)論：
1. MWM-V6型柴油機(jī)曲軸斷裂的直接原因是鍛件過熱過燒造成的晶界氧化物和晶界開裂；斷口為石狀斷口。曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤滑條件不良加速了曲軸斷裂。
2. 由于軸類零件加工工序較復(fù)雜，失效原因也較復(fù)雜，本文采用故障樹分析法給出了軸類零件失效的各種可能原因。軸類零件失效的系統(tǒng)分析為其工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠性分析的依據(jù)。另外，故障樹也為專家系統(tǒng)的建立提供了知識庫基礎(chǔ)。
關(guān)于今后工作的建議：
本文所做的故障樹分析為專家系統(tǒng)的知識庫提供了基礎(chǔ)，但由于缺乏各種失效原因的概率，暫時無法進(jìn)行故障樹的定量分析，因此，建議今后收集積累各種失效原因的出現(xiàn)幾率，并利用此故障樹進(jìn)一步建立軸類零件失效分析的專家系統(tǒng)。同時建議建造軸類零件各類失效原因的改進(jìn)措施的知識庫，編制出專家系統(tǒng)的計算機(jī)程序，并利用該程序?qū)崿F(xiàn)判斷軸類零件失效原因及給出相應(yīng)的改進(jìn)措施。
結(jié)束語
畢業(yè)設(shè)計是我第一次系統(tǒng)的、全面、獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計工作。在設(shè)計過程中，不但鞏固了專業(yè)知識，加深了對知識的融會貫通，更為重要是是，培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)，鍛煉了我分析問題，解決問題的能力。這對我畢業(yè)后調(diào)整自我，盡快勝任工作將產(chǎn)生很大的作用。
在畢業(yè)設(shè)計過程中，充分體會到搜集資料的重要性。一時不經(jīng)意中發(fā)現(xiàn)的一段話，可我解開心中的迷惑，豁然開朗。有時卻發(fā)現(xiàn)自己頗為得意的觀點(diǎn)早已成為昨日黃花。
通過本次畢業(yè)設(shè)計，也暴露出很多不足。在畢業(yè)設(shè)計的初期，在構(gòu)思方案的過程中，表現(xiàn)的有些急功近利，方案的提出帶有明顯的主觀性。在方案確定后，具體的設(shè)計過程中，暴露出知識面不夠?qū)挘紤]不夠全面，有些因素沒有考慮到，有些問題無法解決
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致 謝
本次論文是在指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)和幫助下完成的。楊老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)對我產(chǎn)生重要影響。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)給我留下了深刻的印象，并為我將來的工作學(xué)習(xí)樹立了榜樣。感謝任課老師來給我悉心的指導(dǎo)、關(guān)心和幫助。其次，我要感謝同組同學(xué)，對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。最后，我還要感謝我的家人對我的培養(yǎng)和給我來這里學(xué)習(xí)的機(jī)會，我的成長離不開他們的支持。
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