失效分析与安全

理化检验物理分册PTCA (PART: A PHYS.TEST)2005年第4115■(院士论坛失效分析与安全钟群鹏(北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083)摘要: 扼要阐述了失效分析相关名词定义,讨论了失效、失效分析预测预防的特点和属性;介绍了安全的概念和安全问题的重要性,并且指出了我国安全生产现状和面临的严峻形势。在此基础上,论证了失效分析预测预防和安全工作之间相互需求的重要关系。关键词:失效分析;预测预防;安全;安全生产中图分类号: TB1文献标识码: A文章编号: 1001-4012(2005)05-0217-05FAILURE ANALYSIS AND SAFETYZHONG Qun-peng(School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083， China)Abstract: This paper interprets some terms in failure analysis, summarizes the characteristics of failureanalysis, prediction and prevention, raises definition and importance of safety, and especially presents the hardreality of safety work in China. Finally, the important relationship between prediction &. prevention and safetyproblems is discussed.Keywords: Failure analysis; Prediction and prevention; Safety; Safety work品分析均是指事后的分析,三种分析所采用的方法1失效分析基本一致。状态诊断则是针对可能的主要失效模(1)失效及失效研究的内涵机电元器件(或式、原因和机理的在线、适时和动态的诊断。零件)、设备、装置或系统统称为机电产品。机电产(3)失效模式、原因和机理诊断失效研究的品丧失规定功能的现象称为失效,对可修复产品通首要任务之一就是失效诊断。失效诊断是失效研究常也称为故障。产品是否失效,主要是在使用(包括的基础,其准确与否决定了失效研究的成功与否。检验)中考察。在失效研究中,针对具体失效事件的失效诊断的目的是要诊断出失效的模式、原因和机技术活动-般可分为三个层次:失效诊断、失效预测理,从而为采取预防措施指明方向和提供依据。失和失效预防。其中失效诊断是失效研究的核心,失效模式是指失效的表现形式,一般可理解为失效的效预测和预防则是失效研究的目的。失效诊断是失类型。失效模式诊断是失效研究首当其冲的重要问效发生以后的研究，失效预测和预防则是事前的。题,具有“定向”的意义。失效模式常可分为一级失(2)失效分析、事故分析、废品分析和状态诊断效模式、二级失效模式和三级失效模式。-般要求失效分析是对进入商品流通领域后发生故障的分诊断到“二级”甚至“三级”。失效模式诊断得越具体析;对导致产品无法修复的严重失效的分析也称为和越准确.对失效原因诊断的准确性和预防措施制事故分析;对进入商品流通领域前发生的质量问题定的针对性就越有指导价值。失效模式诊断一般从的分析则称为废品分析。失效分析、事故分析和废现中国煤化工裂纹、痕迹和变形等)、零件CNMHG学性能分析、结构和受收稿日期:2005-04-13力分析、工况和使用环境分析及失效模拟等方面入作者简介:钟群鹏(1934-).男.中国工程院院士,中国机械工程手,其中首断件(肇事件)的残骸分析是最重要的诊学会副理事长。断依据,也是目前使用得最多和最好的一个方面。P.理化检验物理分册钟群鹏:失效分析与安全失效原因是指酿成失效事故的直接关键因素。失效诊断学、失效预测学和失效预防学三部分组成。失原因也可分为一级、二级和三级失效原因。一级失效学的实践基础是对大量的失效事故模式、原因和效原因一般指酿成该失效事故的首先失效件(肇事机理的定性、定量的分析诊断和随后行之有效的预件)失效的直接关键因素处于投入使用过程中的哪测预防的工程实践经验的积累和总结;失效学的技个阶段或工序(如设计原因、制造原因、使用原因和术和方法基础是现代检测仪器,可靠性技术和工程环境原因等);二级失效原因是指-级失效原因中的方法;失效学的理论基础是近代材料学、力学和化学直接关键原因。失效原因的诊断是失效研究的核心对断裂失效、腐蚀失效、磨损失效及其混合型的失效和关键。失效机理的诊断是指对失效的内在本质、模式和机理的深入研究。必然性和规律性的研究,是对失效性质认识的理论(6)失效模式、原因和机理的诊断与失效有升华和提高。失效机理是内因和外因共同作用而最关的失效对象、失效现象和失效环境统称为失效信终导致失效事件发生的热力学、动力学和机构学,即息。表1列出了5大类16项共52种失效信息。每失效内在的必然性和固有的规律性。-种失效信息都是失效的一个特征,反映影响失效(4)失效分析、预测和预防失效分析是 分析的某个因素或条件;综合几种失效信息可以诊断出诊断失效的模式、原因和机理,研究采取补救、预测失效的模式,进而推断出失效的原因和机理。反之，和预防措施的技术活动和管理活动。失效预测可以也可认为某一特定的失效模式、原因和机理总要表分为安全状况预测、剩余寿命预测和累积失效概率现出-些相应的失效信息(特征)。因此,可以建立(可靠度)预测等三个层次的内容。失效预防则应包通过失效事件本身反映出来的失效信息来诊断失效括失效的工程预防、失效(或安全)法规或标准的制模式、原因和机理的失效诊断系统,帮助进行失效定或修改，以及失效(或安全)数据库和专家系统的研究。建立和应用。(5)失效学研究机电产 品失效的诊断、预测2安全和预防理论及技术和方法的交叉或综合的分支学无危则安,无损则全。“安全”顾名思义，指没科。失效学是一个正在发展中的新兴学科，由失效有危险,不受威胁,不出事故,没有受伤,完整无损，表1失效信息与失效模式、 原因和机理的诊断系统Tab.1 Relationship between failure characteristics and diagnosis system of failure mode, reason, mechanism主要失效模式和特征'项目失效信息名称裂纹裂纹起源宏与零件应①在应力集中处(R处)信息位置和扩展 观力、焊缝的关 ②在焊缝区方向系③非应力集中区.与接触介质①在介质接触的表面的关系②在点蚀(磨蚀)坑处③与接触介质无关与主正应力①与主正应力方向垂直或主切应力方② 与主切应力方向平行向的关系③与主正应力、主切应力无关微与显微组织①在夹杂物处l的关系②在某一相组织处③与显微组织无关与晶粒边界①在晶粒边界或相界处中国煤化工②在晶内或相内③既在晶界也在晶内处MHCNMHG.与晶面晶向① 在某一特定的晶面或晶向②非特定的晶面、晶向③混合情况218●P.理化检验物理分册钟群鹏:失效分析与安全续表1主要失效模式和特征'项目失效信息名称裂纹分布宏按点、线分①以点放射分布和形貌观布情况②沿线分布③不规则分布数量和平直① 单条、“平直”状情况②分叉或台阶或锯齿状③网状或龟裂形貌啮合和间隙① 啮合好、间隙小.裂尖尖锐②啮合差、间隙大、裂尖圆钝微观与裂纹起源位置和扩展方向的微观栏相同断口断口的形宏断口附近的①塑性变形大、断口凹凸不平信息貌和特 征观残留塑性变形②塑性变形小、断口比较平直断口的颜色①断口为本色②断口上有氧化或腐蚀产物的颜色断口形貌特①纤维状(鹅毛绒状)正②结晶状(颗粒状)③放射状(人字纹)④贝壳状(弧线状)微断口的形貌① 韧窝(撕裂棱、微孔等)观特征②解理(河流、扇形、台阶等)③沿晶(岩石、冰糖块等)④条带(辉纹、“轮胎”痕迹等)❺“鸡爪状”形貌⑥腐蚀产物(氧化物、腐蚀产物、泥纹等)⑦其它形貌腐蚀材料与腐材料与腐蚀介质①碳钢及合金钢在HCI、碱、 硝酸盐、信息蚀介质和腐HNO海岸大气.工业大气、H2S和H2SO。蚀特征形貌+HNO3等介质中.②铬不锈钢在NaCl、氧化物、氟化物、溴化物、碘化物、HC1、海岸大气、工业大气、水及蒸汽、H2S等介质中③奥氏体不锈钢在氟化物、氯化物、碱、海岸大气等介质中④奥氏体不锈钢在FeCl2, FeCls,H2SO.-和碱等介质中⑤材料上有腐蚀性的介质腐蚀形貌特征.①腐蚀产物附着、剥离②表面颜色发暗、敲击声音频率降低③腐蚀坑应力应力性质①静载荷(o>o或Ki≥Kic信息和特征②交变载荷(σ≥0_1)③冲击载荷(a≥ae或Ki≥KxMHCNMHG注:1)该栏目中1为脆性(解理)断裂,2为脆性(沿晶)断裂,3为脆性(沿夹杂物)断裂,4为塑性断裂,5为疲劳断裂,6为腐蚀疲劳断裂,7为应力腐蚀(沿晶)断裂,8为应力腐蚀(穿晶)断裂;V表示存在相对应的失效模式和特征。理化检验物理分册钟群鹏:失效分析与安全平安健康。安全的反义词是灾害。灾害是对人类生建国以来,我国安全生产取得了很大的进步。命、财产和生存条件造成危害性后果的各种变异现特别是近几年来.我国在安全生产的治理和整顿方象的总称。面成绩显著,安全生产状况虽好于前几年,但安全形从科学的含义.上看，“安全”可以认为是-种状势仍然十分严峻,发展趋势也不容盲目乐观。态，是指满足人和物不受损伤、身心健康和完整完满我国安全生产的现状是:①道路交通运输伤亡的一种环境、物态和状态;也有人认为，“安全”是一人数呈逐年上升趋势;②重大火灾隐患依然严重存种能力,是指人类对自身利益一-包括生命、健 康、在;③工矿企业事故发生频率和死亡人数仍然居高财产、资源、生存空间、信息、无形资产、商业机会、传不下;④职业危害严重,从1998年来呈现回升趋统、文化、社会结构、运行机制和秩序等的捍卫、维护势;⑤中小企业的安全生产成为薄弱环节。和控制的能力。将上述“物态论”和“能力论”相结我国安全生产的形势是:①传统的安全生产管合,安全是通过“能力”达到的一种“状态”。理模式面临挑战;②经济高速发展与安全生产基础安全的内涵和外延可以有狭义的(传统的)和广薄弱的矛盾更加尖锐;③西部大开发中的安全生产义的(非传统的)安全之分:狭义的安全(又可称为传问题将日益突出;④经济高速发展与“安全风险”转统的安全)包括国家安全(即国防安全)、社会安全和嫁;⑤加入WTO之后挑战和机遇并存。公共安全。国家安全是指在国家、民族和领土层面.我国安全生产现状和形势如此严峻，究其原因上的安全,侧重于在国家和民族之间的冲突和对抗是因为我国在总体的安全生产的水平、安全生产监中捍卫国家利益问题;社会安全是指社会秩序和运督和管理体制、安全生产的保险机制、安全生产的技行机制层面的安全,侧重于社会犯罪、破坏和威胁中术保障体系和安全文化的意识等方面与工业发达国维护社会利益问题;公共安全是指在生产经营层面家相比还存在较大的差距的缘故。上的安全,侧重于对安全生产事故的控制问题。广3失效分析与安全的相互关系义的(非传统的)安全是人类进入21世纪后,由于社会、经济及科学技术的发展引发的新的安全问题,包失效分析预测预防是安全工作的需求，积极的括环境安全、技术安全、城市安全和经济安全等。其失效分析预测预防工作对安全工作具有促进作用，中环境安全又可分为生态、人口、资源(能源、土地、对保证安全具有不可替代的作用;安全工作离不开水资源和矿产)和气候等相关的安全问题,环境安全失效分析预测预防,是失效分析预测预防科学存在、的本质是由于经济高速发展引发的人与自然不能和发展的基础。两者具有相互依赖共同发展的特点。谐发展的问题;技术安全是指新技术和新产品的出可以认为,失效分析预测预防加上监察就是安全工现,包括生物技术、基因技术、新的化工产品及大型作。工程给人和自然构成的风险和威胁;城市安全是由失效分析预测预防和安全之间的相互关系见于城市规模和生产的集约化发展带来的突出的安全表2。问题;而经济安全则是由于世界经济的一体化,使得4结语社会经济的关联性、依赖型和“脆弱”性大大的增加带来的附加的安全问题，例如动力安全(核安全)、信(1)失效分析预测预防是认识客观事物本质和息安全和金融安全等。规律的逆向，思维过程,是推动高科技发展的积极因鉴于安全的内涵及其外延不断的深化和扩大，素之一,是变失效为成功的必由之路。安全的概念成为一个动态的、发展的，带有全局性、(2)失效分析预测预防具有“原则性”一客 观关键性和战略性的问题,安全与社会经济发展之间性、公正性和科学性,整个失效分析过程必须坚持八的关系越来越紧密依赖和互为制约,因此与安全有个原则。关的安全文化、安全科学、安全技术、安全管理、安全于面路几兰突出,各学科在研究安中国煤化工经济和安全伦理等也将应运而生和蓬勃发展,其重全问,公共安全应成为--级要性也日益突出,安全不再是人类被动的追求目标学科JMYHCNMHG状态,而且将对经济社会和政治发展起反转的促进(4)安全与全面建设小康社会及可持续发展战作用。略之间存在十分密切的关系,应当与人口、资源和环理化检验物理分册钟群鹏:失效分析与安全表2失效分 析预测预防和安全之间的相互关系Tab.2 Relationship between safety and failure anaysis, prediction, prevetion项目安全工作失效分析预测预防定义对生产经营活动中的生产事故(失效)、事故隐患和事故风险进对生产经营活动中的安全事故、事故隐患和事故风行分析、识别、评价和控制全过程的监察、监督、管理和科技活动。险进行分析诊断预测控制和预防根治的科学、公正的技术活动和管理活动的总称。基本性安全是人类为其生存和发展向大自然索取和创造物质财富的生失效是人们的主观认识与客观事物相互脱离的结产经营活动中一个最重要的基本前提,它具有“基本”性质。果,失效分析预测预防是人们深化客观事物认识的知识源泉,它具有“基本”性质。绝对性在生产经营活动中.安全问题无所不在,无时不有,它具有“绝人的认识是有限的,而客观世界是无限的,因此失效对”性质。是绝对的,安全是相对的,它具有“绝对”性质。时代性在人类进化发展的各个历史时期,生产方式和生产水平不同。随着科学技术的发展,特别是安全科学技术的发展，随着生产经营活动的手段、设备和工艺不断复杂.安全工作的内容失效分析预测预防的内容、重点、技术和方法也有所不和重点也各不相同,它具有“时代”性质。同,它具有“时代”性质。在社会.从社会发展的角度,安全生产是社会稳定、文明的重要因素;从是促进安全、保护生产力的有效武器;是贯彻“安全生活上实现可持续展战略的角度,安全生产是保障和促进社会经济持续.第一”预防为主”方针的一项重要工作;是保证社会安健康发展的重要保证;从提高社会文明的角度,安全生产是体现和定、经济持续发展的重要保证;是社会主义市场经济体提高社会文明与进步的重要标志;从全面建设和实现小康社会的制优越性的重要体现。角度,安全生产是全面建设和实现小康社会目标的本质内涵。在经济和在经济发展的角度,安全生产是减少负效益(增加正效益)的必是防止失效事故的再发生、减少经济或人员伤亡的管理上由之路;在全面建设小康社会的目标角度，安全是安居乐业的重要必由之路;是对国内外经济纠纷进行仲裁或判决、索赔前提;在可持续发展战略的角度,安全是经济发展良性循环的重要的科学技术依据;是创建优质名牌产品、提高产品的质指标;在发展国际经济贸易的角度,安全生产将是打破和通过国际量和更新换代的重要途径;是为各级领导提供反馈和经济贸易中“绿色壁垒”或“技术性贸易壁垒”和市场准入条件的必进行技术经济规划和决策的重要参考依据。不可少的“通行证”。在工程从安全科技发展的角度,安全是国家科技水平的综合体现;从安是机电产品维修工作的技术基础和前提条件;是可技术上全科学技术发展的角度,安全是国家安全科学技术理论、技术、工靠性工程的基础技术工作之一;是发展和完善安全工.程和产业协调发展的重要结果。程技术的重要实践基础;是修改和完善产品和技术标准的科学实践依据。在科技从发展科学技术水平的角度,安全是发展和完善安全科学技术是认识客观世界事物本质的重要知识源泉;是发展进步上的重要组成部分;从提高国家综合国力的角度.安全是反映和提高新学科、新理论、新材料、新工艺、新方法的重要窗口国家综合国力和国际声誉的重要体现。和"产婆";是发展科学技术，包括发展高科技的不可避免的机遇和挑战;是从失败入手着眼于成功和发展的科技领域;是从过去入手着眼于未来和进步的科技领域;可以认为是科技是第一生产力中最活跃的因素之一。境-样把安全列为我国的-项基本国策。电装备的发展。(5)失效分析可以预防事故、保安全和促进机(6)失效分析大有作为。中国煤化工欢迎来稿欢迎订阅YH叭CNMHS登广告