3.2.3 失效分析的基本方法

1.系统方法

系统方法又称为相关性方法，就是把失效模式、失效特征、服役条件、材质情况、制造工艺和过程、使用维护情况等放在一个研究系统中，从总体上加以考虑的方法。分析研究失效原因是否与设计、材质、制造、使用维护等有关，并根据检测结果，寻找失效原因。

该方法通常适用于失效原因比较复杂、难以判定的失效分析中，例如，疲劳断裂、韧性断裂，仅从断口特征上看，难以确定失效的主要原因。图3-22为一个紧固系统中5个螺栓发生疲劳断裂，这5个螺栓断口特征相似，究竟是制造工艺和过程相似导致的，还是使用环境一致导致的？判断它们的失效原因就需要采用系统方法综合考虑。通过现场调查发现，该系统还有5个螺栓，属于韧性断裂断口，特征也相似，两种断口对应分布，理化检测确认材质合格，加工尺寸符合要求，最终通过断口分布规律，并综合工作过程中对应的应力状态，确定这些螺栓属于安装不当，造成受力不平衡导致疲劳断裂。

图3-22 特征相似的疲劳断口

2.抓主要矛盾方法

抓主要矛盾方法就是抓失效中起主要作用的因素，如断裂失效中断裂源及其导致因素。该方法适用于失效原因简单、目标比较明确的失效分析。如某铸件在使用过程中发生断裂，在断口疲劳裂纹源处已经明显看到有铸造缺陷存在，如图3-23所示，疲劳裂纹源起始于铸造缺陷，所以抓主要矛盾，铸造缺陷是构件在交变载荷作用下产生疲劳裂纹而导致断裂的主要原因。

图3-23 疲劳裂纹源处的铸造缺陷

3.比较方法

选择一个没有失效而且能与失效系统一一对比的系统，通过两者之间的比较，从中找出差异，这样将有利于尽快找出失效原因。

例如，20钢异径管，安装后打压时在变径处开裂，如图3-24所示。制造工艺要求为变径处800℃热缩成形。在直管部分和变径部分取样比较发现，直管部分显微组织为等轴的铁素体+珠光体，如图3-25所示；变径处显微组织中的铁素体晶粒则明显拉长，有显著的冷塑性变形特征，如图3-26所示。比较的结果说明异径管没有按照工艺要求进行热缩成形，变径成形温度低于20钢再结晶温度（约660℃），冷塑性变形后又没有再结晶退火，材料在冷塑性变形状态下存在较大的残余应力，材料脆性大，打压时引起变径处脆性开裂。

4.历史方法

历史方法实际上也是经验的方法，它的客观依据是物质世界的运动变化和因果制约性，就是根据产品或零部件在同样的服役条件下过去表现的情况和变化规律，来推断现在失效的可能原因。这主要依赖过去失效资料的积累，运用归纳法和演绎法来分析失效原因。

例如，应力腐蚀、晶间腐蚀、冷脆等都是依赖历史资料的积累，通过对材料性能的反复验证来完成的。

5.逻辑方法

逻辑方法就是根据背景资料（设计、材料、制造的情况等）和失效现场调查资料以及分析、测试获得的信息进行分析、比较、综合、归纳，做出判断和推论，进而得出失效原因，主要适用于失效构件的材料、工艺改进。

例如，柴油发动机齿圈的材料和工艺都照搬德国道依茨图样，用在民用重载车上不失效，用在军用车上就断齿，通过分析军用车和民用车的使用状态差别推断失效原因，齿圈的性能不满足军用车使用环境，最终采用改进齿圈热处理工艺或更换材料和工艺的方法减少这类事故的发生。

图3-24 变径处800℃热缩成形后开裂的异径管

图3-25 直管部分的显微组织

图3-26 变径处的显微组织