失效分析實(shí)驗(yàn)課中的思路培養(yǎng)

有移亮 趙子華 張崢

摘要：在以往的失效分析實(shí)驗(yàn)課程中，更多的是強(qiáng)調(diào)手段和方法的訓(xùn)練，而對(duì)從事失效分析工作的人員來說，失效分析思路的培養(yǎng)是重中之重。本項(xiàng)目試圖通過在失效分析特色實(shí)驗(yàn)中引入失效分析思路培養(yǎng)訓(xùn)練，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的失效分析思維的目的，為學(xué)生今后從事失效分析研究工作奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：失效分析;高等教育;教改;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）36-0272-03

一、前言

產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能的現(xiàn)象稱為失效。失效分析是判斷失效模式、查找失效原因和機(jī)理，提出防止類似事故再次發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)[1]。通過失效分析可以減少和預(yù)防機(jī)械產(chǎn)品同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，從而減少經(jīng)濟(jì)損失和提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量。失效分析可為技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步提供信息、方向、途徑和方法。失效過程往往是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要有全過程的思維路線[2]。

失效分析技術(shù)是一門應(yīng)用廣泛的實(shí)用技術(shù)，往往需要失效分析人員具有豐富的失效分析經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于剛剛畢業(yè)走出校門的學(xué)生來說，遇到失效分析問題時(shí)往往不知從何入手，歸其原因，是因?yàn)闆]有建立良好的失效分析思路和思維方式。以往的失效分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往過度重視某一失效分析方法和手段的培養(yǎng)，如斷口清洗方法或斷口觀察方法，而忽略了對(duì)失效分析思路的灌輸和普及，造成了部分學(xué)生只重視一部分試驗(yàn)結(jié)果，過度糾結(jié)于微觀觀察結(jié)果，而宏觀全局的綜合分析不夠深入，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果。

失效分析人才的培養(yǎng)不僅是手段和方法的訓(xùn)練，更重要的是思維方式和思維方法的培養(yǎng)。本文力圖通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入思維方式方法的培養(yǎng)，改善教學(xué)效果，以使學(xué)生能更深入的理解失效分析的精髓，在走上工作崗位進(jìn)行實(shí)際的失效分析工作時(shí)能夠更快的上手，少走彎路。

二、教改實(shí)施方案

通過文獻(xiàn)調(diào)研，結(jié)合失效分析實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)條件，選擇有代表性的案例，讓學(xué)生通過小組討論、與教師互動(dòng)的形式自主確定實(shí)驗(yàn)方案，并通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)思路的正確性，最終達(dá)到鍛煉學(xué)生失效分析思維的目的。將思路分析和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，避免實(shí)驗(yàn)課成為失效分析教學(xué)課程的翻版，應(yīng)使學(xué)生有充分的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

（一）失效分析基礎(chǔ)知識(shí)講解

本實(shí)驗(yàn)課針對(duì)大學(xué)高年級(jí)本科學(xué)生開設(shè)，部分學(xué)生在上課之前從未學(xué)習(xí)過失效分析知識(shí)，因此在進(jìn)行動(dòng)手實(shí)驗(yàn)之前，有必要對(duì)失效分析的基本概念、作用、程序和思路進(jìn)行簡要的介紹。重點(diǎn)把握以下知識(shí)點(diǎn)。

1.失效分析的基本概念。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3187-1994中對(duì)失效的定義：產(chǎn)品終止完成規(guī)定功能的能力這樣的事件。按照這一定義，失效分析則為判斷失效模式、查找失效的原因和機(jī)理，提出防止類似事故再次發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。

2.失效分析的作用。失效分析的作用可以體現(xiàn)在減少同類事故的發(fā)生、提升產(chǎn)品質(zhì)量和裁決事故責(zé)任。此外，失效分析還可為技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步提供信息、方向、途徑和方法。

3.幾種典型的失效分析思路。在失效分析過程中，常用的思路包括“撒大網(wǎng)”逐個(gè)因素排除的思路、“故障樹”思路和邏輯推理的思路。三種思路互為補(bǔ)充，有時(shí)會(huì)同時(shí)使用多種思路來進(jìn)行分析。

（二）典型案例剖析

為使學(xué)生更加深入地了解失效分析思路的運(yùn)用方法，在課堂上列舉一個(gè)典型案例，通過案例的分析過程，梳理出失效分析思路，從而鞏固教學(xué)效果。

案例：某汽車轉(zhuǎn)向器殼體開裂原因分析[3]

基本情況：某皮卡汽車轉(zhuǎn)向器殼體在使用過程中發(fā)生斷裂故障，汽車?yán)塾?jì)行駛里程2000多公里。該殼體所使用的材料為ZL107，鑄造工藝為重力鑄造，熱處理工藝為T6，如圖1所示，紅色方框的位置為其斷裂位置。

分析過程：

（1）“撒大網(wǎng)式”列舉可能原因。在進(jìn)行原因分析的初期，應(yīng)盡可能多的想到各種可能引起失效的原因，現(xiàn)列舉如下。

（2）利用宏觀線索設(shè)計(jì)分析路線。在列舉了所有可能的失效原因之后，需要制定簡潔、高效的分析路線。利用已經(jīng)看到的宏觀特征，迅速排除不可能的原因，針對(duì)剩余的可能原因進(jìn)行分析和驗(yàn)證。對(duì)于本案例，由于零件及其連接處的外觀完好，零件及斷口表面無明顯腐蝕性痕跡，因此可以判斷，該殼體不存在裝配和環(huán)境問題，因此需要對(duì)剩余的幾種原因：設(shè)計(jì)問題、材質(zhì)問題和使用問題進(jìn)行分析。而對(duì)于使用問題，據(jù)4S店工作人員反映，在拆解和更換轉(zhuǎn)向器的過程中，未發(fā)現(xiàn)車體其他部位有損傷。此外，據(jù)廠方反映，該型號(hào)轉(zhuǎn)向器殼體曾經(jīng)發(fā)生過類似的故障，考慮到該車僅行駛了2000多公里，由于使用問題造成失效的可能性較低，因此分析工作應(yīng)重點(diǎn)聚焦在設(shè)計(jì)問題和材質(zhì)問題上。具體分析路線如圖4所示。

（3）理化檢驗(yàn)。對(duì)斷口宏微觀形貌進(jìn)行觀察，對(duì)材料的金相組織進(jìn)行分析，并根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)圖4中所示失效分析流程進(jìn)行判定。由于授課對(duì)象面對(duì)的是材料專業(yè)的學(xué)生，因此對(duì)于力學(xué)分析不作要求。

（三）動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

由于本課程為實(shí)驗(yàn)課程，因此應(yīng)該讓學(xué)生有充分的動(dòng)手操作過程，以培養(yǎng)學(xué)生的失效分析本領(lǐng)。由于材料專業(yè)學(xué)生有專門的金相分析課程，因此本課程只針對(duì)斷口進(jìn)行分析。

1.斷口起裂位置的判斷。起裂位置的判斷在失效分析過程中發(fā)揮著重要的作用，是失效分析成功與否的基礎(chǔ)。本課程指導(dǎo)學(xué)生借助于數(shù)碼相機(jī)和體視顯微鏡，通過斷口表面顏色及“人字紋”分析，初步判斷出裂紋源的位置。斷口表面顏色可以反映出裂紋形成時(shí)間的長短以及環(huán)境腐蝕性。一般來講，暴露在空氣中的時(shí)間越長，金屬表面氧化就越嚴(yán)重，從顏色上來看就更加灰暗。從圖2中紅色箭頭所示位置可以看出，該位置處的斷口明顯較其他位置顏色發(fā)黃、發(fā)暗，因此該位置應(yīng)為裂紋最先形成處。此外，對(duì)于薄板零件來說，在快速斷裂的過程中會(huì)產(chǎn)生“人字紋”特征，“人字紋”尖端的指向即為裂紋源的方向。圖2中的黑色箭頭位置可以看到明顯的“人字紋”特征，尖端向下。通過讓學(xué)生操作數(shù)碼相機(jī)和體視顯微鏡，觀察和記錄斷口宏觀特征，并依據(jù)特征判斷裂紋源位置，既可以鞏固失效分析知識(shí)，又可以鍛煉動(dòng)手能力。

2.裂紋擴(kuò)展模式的判斷。斷口表面忠實(shí)記錄了斷裂過程中的信息，因此斷裂模式的判斷是失效原因分析的重要依據(jù)[4]。本課程指導(dǎo)學(xué)生借助掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察分析，根據(jù)斷口形貌判斷失效件的裂紋擴(kuò)展模式，通過與典型斷裂模式照片進(jìn)行對(duì)比，可以加深印象。

三、教改實(shí)施效果

在教學(xué)過程中，學(xué)生們對(duì)失效分析技術(shù)和方法有了比較系統(tǒng)和全面的了解。在講解過程中，穿插介紹幾個(gè)典型案例，使學(xué)生們對(duì)失效分析工作產(chǎn)生濃厚的興趣，他們覺得失效分析工作不是單調(diào)、乏味的重復(fù)性試驗(yàn)活動(dòng)，而是充滿個(gè)性和創(chuàng)造性的技術(shù)和管理活動(dòng)。學(xué)生們認(rèn)識(shí)到，失效分析工作者應(yīng)具有寬廣的基礎(chǔ)知識(shí)和扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，失效分析工作是對(duì)機(jī)械、材料和管理等方面知識(shí)的綜合運(yùn)用。同時(shí)，僅具有專業(yè)知識(shí)是不夠的，正確的分析思路是關(guān)鍵。通過案例剖析和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們對(duì)失效分析的過程和手段有了較為深入的認(rèn)識(shí)，在教師的引導(dǎo)下，每名學(xué)生都針對(duì)案例提交了自己的分析方案，分析方案基本上都是切實(shí)可行的，這說明學(xué)生們已經(jīng)初步掌握了失效分析的思路，這也正是本實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)。

四、結(jié)語

失效分析是一項(xiàng)思路與動(dòng)手能力并重的工作，本課程在介紹失效分析基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，注重對(duì)學(xué)生失效分析思路的培養(yǎng)，結(jié)合典型案例的剖析，讓學(xué)生掌握常見失效分析的手段和方法，通過實(shí)際操作，鞏固教學(xué)成果，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘群鵬，田永江.失效分析基礎(chǔ)知識(shí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]張棟.機(jī)械失效的實(shí)用分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[3]蔡成，有移亮，張崢.鋁合金殼體斷裂失效分析[C].2015年全國失效分析學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2015.

[4]鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.