失效分析实验课中的思路培养

有移亮 赵子华 张峥

摘要：在以往的失效分析实验课程中，更多的是强调手段和方法的训练，而对从事失效分析工作的人员来说，失效分析思路的培养是重中之重。本项目试图通过在失效分析特色实验中引入失效分析思路培养训练，达到训练学生的失效分析思维的目的，为学生今后从事失效分析研究工作奠定基础。

关键词：失效分析;高等教育;教改;实验

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）36-0272-03

一、前言

产品丧失规定的功能的现象称为失效。失效分析是判断失效模式、查找失效原因和机理，提出防止类似事故再次发生的技术活动和管理活动[1]。通过失效分析可以减少和预防机械产品同类失效现象重复发生，从而减少经济损失和提高机械产品质量。失效分析可为技术开发、技术改造、技术进步提供信息、方向、途径和方法。失效过程往往是一个复杂的过程，需要有全过程的思维路线[2]。

失效分析技术是一门应用广泛的实用技术，往往需要失效分析人员具有丰富的失效分析经验。对于刚刚毕业走出校门的学生来说，遇到失效分析问题时往往不知从何入手，归其原因，是因为没有建立良好的失效分析思路和思维方式。以往的失效分析实验教学往往过度重视某一失效分析方法和手段的培养，如断口清洗方法或断口观察方法，而忽略了对失效分析思路的灌输和普及，造成了部分学生只重视一部分试验结果，过度纠结于微观观察结果，而宏观全局的综合分析不够深入，从而导致错误的分析结果。

失效分析人才的培养不仅是手段和方法的训练，更重要的是思维方式和思维方法的培养。本文力图通过在实验教学中引入思维方式方法的培养，改善教学效果，以使学生能更深入的理解失效分析的精髓，在走上工作岗位进行实际的失效分析工作时能够更快的上手，少走弯路。

二、教改实施方案

通过文献调研，结合失效分析实验课的教学条件，选择有代表性的案例，让学生通过小组讨论、与教师互动的形式自主确定实验方案，并通过动手实验检验思路的正确性，最终达到锻炼学生失效分析思维的目的。将思路分析和动手实验的有机结合，避免实验课成为失效分析教学课程的翻版，应使学生有充分的动手实验时间。

（一）失效分析基础知识讲解

本实验课针对大学高年级本科学生开设，部分学生在上课之前从未学习过失效分析知识，因此在进行动手实验之前，有必要对失效分析的基本概念、作用、程序和思路进行简要的介绍。重点把握以下知识点。

1.失效分析的基本概念。按照国家标准GB/T3187-1994中对失效的定义：产品终止完成规定功能的能力这样的事件。按照这一定义，失效分析则为判断失效模式、查找失效的原因和机理，提出防止类似事故再次发生的技术活动和管理活动。

2.失效分析的作用。失效分析的作用可以体现在减少同类事故的发生、提升产品质量和裁决事故责任。此外，失效分析还可为技术开发、技术改造、技术进步提供信息、方向、途径和方法。

3.几种典型的失效分析思路。在失效分析过程中，常用的思路包括“撒大网”逐个因素排除的思路、“故障树”思路和逻辑推理的思路。三种思路互为补充，有时会同时使用多种思路来进行分析。

（二）典型案例剖析

为使学生更加深入地了解失效分析思路的运用方法，在课堂上列举一个典型案例，通过案例的分析过程，梳理出失效分析思路，从而巩固教学效果。

案例：某汽车转向器壳体开裂原因分析[3]

基本情况：某皮卡汽车转向器壳体在使用过程中发生断裂故障，汽车累计行驶里程2000多公里。该壳体所使用的材料为ZL107，铸造工艺为重力铸造，热处理工艺为T6，如图1所示，红色方框的位置为其断裂位置。

分析过程：

（1）“撒大网式”列举可能原因。在进行原因分析的初期，应尽可能多的想到各种可能引起失效的原因，现列举如下。

（2）利用宏观线索设计分析路线。在列举了所有可能的失效原因之后，需要制定简洁、高效的分析路线。利用已经看到的宏观特征，迅速排除不可能的原因，针对剩余的可能原因进行分析和验证。对于本案例，由于零件及其连接处的外观完好，零件及断口表面无明显腐蚀性痕迹，因此可以判断，该壳体不存在装配和环境问题，因此需要对剩余的几种原因：设计问题、材质问题和使用问题进行分析。而对于使用问题，据4S店工作人员反映，在拆解和更换转向器的过程中，未发现车体其他部位有损伤。此外，据厂方反映，该型号转向器壳体曾经发生过类似的故障，考虑到该车仅行驶了2000多公里，由于使用问题造成失效的可能性较低，因此分析工作应重点聚焦在设计问题和材质问题上。具体分析路线如图4所示。

（3）理化检验。对断口宏微观形貌进行观察，对材料的金相组织进行分析，并根据理化检验结果对图4中所示失效分析流程进行判定。由于授课对象面对的是材料专业的学生，因此对于力学分析不作要求。

（三）动手实验

由于本课程为实验课程，因此应该让学生有充分的动手操作过程，以培养学生的失效分析本领。由于材料专业学生有专门的金相分析课程，因此本课程只针对断口进行分析。

1.断口起裂位置的判断。起裂位置的判断在失效分析过程中发挥着重要的作用，是失效分析成功与否的基础。本课程指导学生借助于数码相机和体视显微镜，通过断口表面颜色及“人字纹”分析，初步判断出裂纹源的位置。断口表面颜色可以反映出裂纹形成时间的长短以及环境腐蚀性。一般来讲，暴露在空气中的时间越长，金属表面氧化就越严重，从颜色上来看就更加灰暗。从图2中红色箭头所示位置可以看出，该位置处的断口明显较其他位置颜色发黄、发暗，因此该位置应为裂纹最先形成处。此外，对于薄板零件来说，在快速断裂的过程中会产生“人字纹”特征，“人字纹”尖端的指向即为裂纹源的方向。图2中的黑色箭头位置可以看到明显的“人字纹”特征，尖端向下。通过让学生操作数码相机和体视显微镜，观察和记录断口宏观特征，并依据特征判断裂纹源位置，既可以巩固失效分析知识，又可以锻炼动手能力。

2.裂纹扩展模式的判断。断口表面忠实记录了断裂过程中的信息，因此断裂模式的判断是失效原因分析的重要依据[4]。本课程指导学生借助扫描电镜对断口进行观察分析，根据断口形貌判断失效件的裂纹扩展模式，通过与典型断裂模式照片进行对比，可以加深印象。

三、教改实施效果

在教学过程中，学生们对失效分析技术和方法有了比较系统和全面的了解。在讲解过程中，穿插介绍几个典型案例，使学生们对失效分析工作产生浓厚的兴趣，他们觉得失效分析工作不是单调、乏味的重复性试验活动，而是充满个性和创造性的技术和管理活动。学生们认识到，失效分析工作者应具有宽广的基础知识和扎实的专业知识，失效分析工作是对机械、材料和管理等方面知识的综合运用。同时，仅具有专业知识是不够的，正确的分析思路是关键。通过案例剖析和动手实验，学生们对失效分析的过程和手段有了较为深入的认识，在教师的引导下，每名学生都针对案例提交了自己的分析方案，分析方案基本上都是切实可行的，这说明学生们已经初步掌握了失效分析的思路，这也正是本实验课程的教学目标。

四、结语

失效分析是一项思路与动手能力并重的工作，本课程在介绍失效分析基础知识的基础上，注重对学生失效分析思路的培养，结合典型案例的剖析，让学生掌握常见失效分析的手段和方法，通过实际操作，巩固教学成果，达到了预期的教学目的，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]钟群鹏，田永江.失效分析基础知识[M].北京：机械工业出版社，1990.

[2]张栋.机械失效的实用分析[M].北京：国防工业出版社，1997.

[3]蔡成，有移亮，张峥.铝合金壳体断裂失效分析[C].2015年全国失效分析学术会议论文集，2015.

[4]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2006.