失效診斷包括失效模式診斷、失效原因診斷和失效機(jī)理診斷3方面的內(nèi)容。

失效診斷的依據(jù)是利用機(jī)械裝備失效分析的各種技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和事故調(diào)查結(jié)果，對(duì)失效件做必要和足夠的理化檢測(cè)和受力結(jié)構(gòu)分析，再依靠分析人員豐富的專業(yè)知識(shí)，以及對(duì)失效裝備的整體閱讀，然后進(jìn)行科學(xué)、客觀和公正的綜合分析，首先給出一級(jí)失效模式（性質(zhì)）的判斷，然后再根據(jù)失效性質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性的失效原因分析和失效機(jī)理診斷，必要時(shí)還要做進(jìn)一步的模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，最后給出切實(shí)可行的預(yù)防措施。

失效診斷具有技術(shù)范圍寬和多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，要求分析人員知識(shí)面寬、組織能力強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神好。

薄弱環(huán)節(jié)

在系統(tǒng)管理中，薄弱環(huán)節(jié)被定義為“系統(tǒng)中人為設(shè)置的容易出故障的部分”。中國有句俗話，“繩在細(xì)處斷，冰在薄處裂”，意思是說事故總是從薄弱的地方發(fā)生。“木桶效應(yīng)”（Cask Effect）原本是經(jīng)濟(jì)學(xué)術(shù)語，說的是一個(gè)木桶盛水量的多少取決于最短木板的長度而產(chǎn)生的整體效應(yīng)。這塊短的木板就是整個(gè)木桶的薄弱環(huán)節(jié)，是短板決定了木桶的盛水量。

無論你覺得自己多么的了不起，也永遠(yuǎn)有人比你更強(qiáng)；無論你覺得自己多么的不幸，永遠(yuǎn)有人比你更加不幸。

Gilman J J的單晶硅試驗(yàn)

美國材料物理博士Gilman J J曾用單晶硅制成一個(gè)環(huán)，直徑為38mm，厚度為1.5mm，進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到3500MPa，斷裂時(shí)發(fā)出巨大聲音，斷口化成了灰，這是一個(gè)整體斷裂的試驗(yàn)事例。300M鋼是美國國際鎳公司于1952年研制的一種低合金超高強(qiáng)度鋼，目前已經(jīng)成為世界上強(qiáng)度最高、綜合性能最好、應(yīng)用最廣泛和聲譽(yù)最好的起落架用鋼，其強(qiáng)度高達(dá)2050MPa，迄今為止，設(shè)計(jì)師們?nèi)哉J(rèn)為300M鋼是不可取代的?？梢?，即便是工程應(yīng)用上強(qiáng)度最高的鋼，其強(qiáng)度仍然低于單晶硅強(qiáng)度1000MPa以上。這是因?yàn)?，單晶硅的破斷?qiáng)度取決于晶體中各原子之間的鍵合力，斷裂是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)力非常巨大，所以得到的抗拉強(qiáng)度值很高。實(shí)際應(yīng)用的工程材料不同于單晶體，材料內(nèi)部存在各種缺陷，如夾雜、疏松、裂紋、偏析及組織不均勻等，這些缺陷構(gòu)成了材料內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，它們會(huì)造成實(shí)際斷裂強(qiáng)度的明顯降低。

Gilman J J的玻璃絲試驗(yàn)

Gilman J J還進(jìn)行過有名的玻璃絲試驗(yàn)，他將同一玻璃絲拉過數(shù)次，最后取余下的一段做試驗(yàn)，結(jié)果得到很高的強(qiáng)度。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果也可以用薄弱環(huán)節(jié)的觀點(diǎn)作解釋，因?yàn)殚_頭的幾次抗拉試驗(yàn)，已篩去了那些最薄弱的環(huán)節(jié)，最后的強(qiáng)度當(dāng)然要高些。再如絲越長，強(qiáng)度往往越低，這是因?yàn)榻z越長，存在薄弱環(huán)節(jié)的概率越大。又如Brenner做晶須試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)把晶須拉斷后的一段再做拉伸試驗(yàn)，強(qiáng)度提高4倍，道理也是相同的。

薄弱環(huán)節(jié)對(duì)構(gòu)件的整體強(qiáng)度的影響

薄弱環(huán)節(jié)對(duì)構(gòu)件的整體強(qiáng)度的影響，可以通過一個(gè)試驗(yàn)來說明。試驗(yàn)時(shí)取10個(gè)方塊，其截面面積都是1mm2，假定每個(gè)方塊為絕對(duì)脆性材料，各方塊的強(qiáng)度列于表1。


試驗(yàn)方法1：
將這些方塊并排粘在兩塊拉板上，粘力也都大于方塊本身強(qiáng)度，粘結(jié)好后對(duì)其施加的拉力F為2000N，見圖1。加力F后，A塊承受的強(qiáng)度為200MPa（2000/10），先告斷裂，此后拉力F重新分配于其它9個(gè)方塊上，強(qiáng)度為220MPa（2000/9），達(dá)到方塊B的斷裂強(qiáng)度，故方塊B接著發(fā)生斷裂，然后應(yīng)力又重新分配，為250MPa（2000/8），達(dá)到方塊C的斷裂強(qiáng)度，故方塊方塊C斷裂，然后應(yīng)力又重新分配，…繼而其它各方塊也一一斷裂。


圖1 方塊試驗(yàn)（并聯(lián)）

試驗(yàn)方法2：
將這10個(gè)方塊以串聯(lián)的方式互相粘結(jié)，如圖2所示，顯然它只能承受200N的拉力（或強(qiáng)度），也就是薄弱環(huán)節(jié)A的強(qiáng)度就是整個(gè)組合體的強(qiáng)度。


圖2 方塊試驗(yàn)（串聯(lián)）

從試驗(yàn)結(jié)果可以得到，
1）方塊A強(qiáng)度最低，是這個(gè)組合體的薄弱環(huán)節(jié)，整個(gè)斷裂是由方塊A引起的。
2）這個(gè)組合體的平均強(qiáng)度為584.5MPa，而實(shí)際發(fā)生斷裂的強(qiáng)度只有200MPa，只有“理論平均強(qiáng)度”的34%，可見組合體的強(qiáng)度不等于各組分強(qiáng)度的數(shù)學(xué)平均值。
3）薄弱環(huán)節(jié)的存在使實(shí)際抗拉強(qiáng)度大幅度降低，組合件的破斷是由薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度決定的。

實(shí)例解析
機(jī)械裝備往往由許許多多的機(jī)械構(gòu)件組成，若存在一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，就可能導(dǎo)致機(jī)械裝備的早期失效。如某企業(yè)生產(chǎn)的高級(jí)小轎車，其設(shè)計(jì)和所有零部件都采用了世界最先進(jìn)的技術(shù)，但在生產(chǎn)過程中卻因?yàn)楣芾聿坏轿?，造成一個(gè)不良品被裝配到車子上。車子在首次行駛中就因這個(gè)不良品的斷裂而發(fā)生車禍，造成整個(gè)車輛報(bào)廢。在這起事故中，除那個(gè)不良品外，其它所有的零部件質(zhì)量都是最好的，其使用壽命設(shè)計(jì)都在20年以上，但就是因?yàn)檫@個(gè)不良品的存在，導(dǎo)致了其它質(zhì)量?jī)?yōu)良的零部件在車禍中因發(fā)生意外撞擊而失效，其實(shí)際使用壽命大幅度降低。

在現(xiàn)實(shí)生活中，這樣的例子還有許多，如輸送帶、鏈條、鋼繩、齒輪、滾動(dòng)軸承等，其中如存在某些薄弱環(huán)節(jié)，就會(huì)影響其整體壽命。鏈條是最明顯的例子，只要存在一個(gè)強(qiáng)度過低的鏈節(jié)，就會(huì)在額定載荷下發(fā)生斷裂。軸承亦如此，雖然軸承內(nèi)各個(gè)滾珠并不相互連接，但若其中存在一顆質(zhì)量過低的滾珠，其破損也會(huì)使整個(gè)軸承無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)而過早失效。鋼繩也總是從磨損最為嚴(yán)重處斷裂。

這些例子告訴我們，在進(jìn)行機(jī)械裝備的失效分析時(shí)，要善于查找被分析對(duì)象的薄弱環(huán)節(jié)，它會(huì)使我們少走彎路，往往能起到事半功倍的作用和效果。


作者：王榮，教授級(jí)高工，上海材料研究所
選自：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》 Vol.53 2017.12