全面失效分析：预防设备损失与降低成本的关键

失效分析概述

工业中设备部件、组件或结构失效可导致人员伤亡、非计划停工、维修成本增加、损害诉讼纠纷。

为防止失效引起的问题再现，必须对每次失效开展调查。开展失效调查称为失效分析。

失效分析是收集和分析数据的过程，旨在确定导致设备部件、组件或结构功能丧失或失效的原因或因素。它是多层次过程，含物理调查。正常失效分析范围是找出失效机理和最可能失效原因。失效机理通常指导致特定失效模式的冶金、化学、机械或摩擦学过程。

失效成因分类

设备部件、组件或结构失效源于工程、设计、制造、运行连续过程链条中某环节错误造成薄弱环节。失效原因可以是以下一项或多项：

• 设计缺陷
• 材料缺陷
• 加工制造缺陷
• 装配或安装缺陷
• 非设计或非预期服役条件
• 维护缺陷（疏忽、程序等）
• 操作不当

失效分析主要步骤

图1展示失效分析主要步骤。

图1 失效分析主要步骤

失效分析主原则：在改变其状态前，保存来自主体零件或组件的原始状态证据和必要信息并记录。此外失效分析中须按破坏性由小到大顺序进行试验。

失效分析始于收集涉及失效部件历史信息：(i) 涉及工艺，(ii) 应用，(iii) 材料类型、规格、形状、尺寸、加工工艺，(iv) 设计参数，(v) 服役条件，(vi) 维护历史，(vii) 失效前事件序列，(viii) 失效频率及是否局部性等。

失效现场勘查是协助失效分析的关键步骤。彻底检查失效部件在失效现场状况可提供大量信息。现场勘查须注意：裂纹位置、断口特征、穿孔、沉积物、壁厚减薄、下垂、脱落件等。且尽可能从目击者获取失效前异常条件信息。某些情况下目视检查失效部件可获得其他途径无法得到的信息。

目视检查中须拍摄机器及周围环境、失效部件及配合部件。失效部件照片记录对未来参考和离场后进一步检查必不可少。须拍摄失效部件所有特征。

清晰定义问题是失效分析关键部分。获取信息深度、现场勘查、分析人员技能判断有助于清晰定义问题。例如问题可定义为冶金、机械、环境或其组合。进一步通过与现场相关人员讨论和目视检查，分析人员可缩小各种可能性。失效可能类似既往失效案例。

基于现场勘查定义问题后的可能失效原因，制定实验方案确定失效原因。实验性质和数量须能导致识别失效原因。为开展选定实验所需样品须仔细取样，尽可能代表失效部件所有特征。部件脱落的沉积物或碎片可提供宝贵信息。尽可能从完好截面及未服役样品采集对比样品。

失效分析研究用调查工具通常两类：(i) 现场可用工具，(ii) 实验室工具。

材料规格验证是失效分析重要组成部分。为此进行化学分析、宏观组织和微观组织分析。若材料足够也进行机械测试，测定抗拉强度、冲击韧性等评价失效部件性能。许多情况下进行表面硬度和微观硬度测试评估力学强度。这些测试在失效部件上进行，核对结果与规格符合性。

应力分析、断裂力学、腐蚀失效分析在失效调查中极有价值。这些分析向调查人员提供信息：所用材料是否满足应用要求。

根据服役条件如施加载荷或压力、部件几何尺寸，可计算部件产生的主应力。最大主应力与应用材料强度对比，向调查人员提供材料适用性及服役中设计参数是否严格遵循的重要信息。

利用断裂力学原理分析，向调查人员提供失效部件断裂时应力与设计应力关系信息，特别是脆性机制裂纹扩展情况下。

疲劳失效情况下，确定断裂前疲劳循环数很重要。基于测量疲劳条纹间距方法通常方便，前提是断口疲劳条纹清晰可见。

仔细彻底检查失效材料宏观组织（通常10倍放大）和微观组织可提供重要线索。可能时，将失效部件取样结构特征与完好截面样品及未服役样品代表性结构特征对比。也须参考设备制造商关于材料使用的特定建议。

宏观组织检查可提供断裂路径及起源位置信息，如内表面或外表面。

微观组织检查技术选择取决于所需信息类型。但通常先用光学显微镜了解整体微观特征：晶粒大小形状、第二相析出物及分布、微裂纹及位置。异常大晶粒指示材料暴露于过高温度。晶粒形状和退火孪晶形状提供冷加工量信息。晶粒拉长指示严重冷加工。孪晶界弯曲指示塑性变形。晶粒内细滑移线也指示塑性变形。若微观组织中见第二相析出物，须考察其性质和形态。

检查微观结构特征时须注意微裂纹存在。如晶界裂纹可能源于蠕变变形或第二相析出物致晶界脆化。

虽目视检查可获断裂特征大量信息，但仍需用扫描电镜检查断口微观结构以知导致断裂机理。断裂可由突发过载或裂纹扩展至导致断裂。裂纹扩展可由不同机制发生。故须知断口形貌以找到导致断裂机制。

目视检查中若发现腐蚀沉积物，须确定沉积物性质。沉积物可以是氧化物、硫化物、氯化物、碳化物等。腐蚀沉积物情况下，须知作业环境性质及材料对该环境耐腐蚀性。

调查人员区分失效模式和失因极重要。有时两术语混用导致极大混淆。为防止未来失效，必须识别失因。例：失效模式是失效部件表面硬度不足，但失因可能是材料选型错误或操作条件不当。

准确详细解释失效分析各阶段获得的全部数据对失效分析重要。没有它，无法得出寻找确切失因所需的正确推断。失效分析中失因判断不当导致错误纠正措施，不利于预防未来失效。

失效分析调查无详细报告不算完成。报告须含防止未来失效的建议集。建议须与调查结果一致。建议可提供短期和长期解决方案。