有移亮 趙子華 張崢

摘要：在以往的失效分析實驗課程中，更多的是強調(diào)手段和方法的訓練，而對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。本項目試圖通過在失效分析特色實驗中引入失效分析思路培養(yǎng)訓練，達到訓練學生的失效分析思維的目的，為學生今后從事失效分析研究工作奠定基礎。

關鍵詞：失效分析;高等教育;教改;實驗

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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、查找失效原因和機理，提出防止類似事故再次發(fā)生的技術活動和管理活動[1]。通過失效分析可以減少和預防機械產(chǎn)品同類失效現(xiàn)象重復發(fā)生，從而減少經(jīng)濟損失和提高機械產(chǎn)品質(zhì)量。失效分析可為技術開發(fā)、技術改造、技術進步提供信息、方向、途徑和方法。失效過程往往是一個復雜的過程，需要有全過程的思維路線[2]。

失效分析技術是一門應用廣泛的實用技術，往往需要失效分析人員具有豐富的失效分析經(jīng)驗。對于剛剛畢業(yè)走出校門的學生來說，遇到失效分析問題時往往不知從何入手，歸其原因，是因為沒有建立良好的失效分析思路和思維方式。以往的失效分析實驗教學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，而忽略了對失效分析思路的灌輸和普及，造成了部分學生只重視一部分試驗結(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，從而導致錯誤的分析結(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)。本文力圖通過在實驗教學中引入思維方式方法的培養(yǎng)，改善教學效果，以使學生能更深入的理解失效分析的精髓，在走上工作崗位進行實際的失效分析工作時能夠更快的上手，少走彎路。

二、教改實施方案

通過文獻調(diào)研，結(jié)合失效分析實驗課的教學條件，選擇有代表性的案例，讓學生通過小組討論、與教師互動的形式自主確定實驗方案，并通過動手實驗檢驗思路的正確性，最終達到鍛煉學生失效分析思維的目的。將思路分析和動手實驗的有機結(jié)合，避免實驗課成為失效分析教學課程的翻版，應使學生有充分的動手實驗時間。

（一）失效分析基礎知識講解

本實驗課針對大學高年級本科學生開設，部分學生在上課之前從未學習過失效分析知識，因此在進行動手實驗之前，有必要對失效分析的基本概念、作用、程序和思路進行簡要的介紹。重點把握以下知識點。

1.失效分析的基本概念。按照國家標準GB/T3187-1994中對失效的定義：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理，提出防止類似事故再次發(fā)生的技術活動和管理活動。

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)量和裁決事故責任。此外，失效分析還可為技術開發(fā)、技術改造、技術進步提供信息、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。三種思路互為補充，有時會同時使用多種思路來進行分析。

（二）典型案例剖析

為使學生更加深入地了解失效分析思路的運用方法，在課堂上列舉一個典型案例，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，汽車累計行駛里程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。在進行原因分析的初期，應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）利用宏觀線索設計分析路線。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，針對剩余的可能原因進行分析和驗證。對于本案例，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，因此需要對剩余的幾種原因：設計問題、材質(zhì)問題和使用問題進行分析。而對于使用問題，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，因此分析工作應重點聚焦在設計問題和材質(zhì)問題上。具體分析路線如圖4所示。

（3）理化檢驗。對斷口宏微觀形貌進行觀察，對材料的金相組織進行分析，并根據(jù)理化檢驗結(jié)果對圖4中所示失效分析流程進行判定。由于授課對象面對的是材料專業(yè)的學生，因此對于力學分析不作要求。

（三）動手實驗

由于本課程為實驗課程，因此應該讓學生有充分的動手操作過程，以培養(yǎng)學生的失效分析本領。由于材料專業(yè)學生有專門的金相分析課程，因此本課程只針對斷口進行分析。

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。本課程指導學生借助于數(shù)碼相機和體視顯微鏡，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間的長短以及環(huán)境腐蝕性。一般來講，暴露在空氣中的時間越長，金屬表面氧化就越嚴重，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，因此該位置應為裂紋最先形成處。此外，對于薄板零件來說，在快速斷裂的過程中會產(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。通過讓學生操作數(shù)碼相機和體視顯微鏡，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，又可以鍛煉動手能力。

2.裂紋擴展模式的判斷。斷口表面忠實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]。本課程指導學生借助掃描電鏡對斷口進行觀察分析，根據(jù)斷口形貌判斷失效件的裂紋擴展模式，通過與典型斷裂模式照片進行對比，可以加深印象。

三、教改實施效果

在教學過程中，學生們對失效分析技術和方法有了比較系統(tǒng)和全面的了解。在講解過程中，穿插介紹幾個典型案例，使學生們對失效分析工作產(chǎn)生濃厚的興趣，他們覺得失效分析工作不是單調(diào)、乏味的重復性試驗活動，而是充滿個性和創(chuàng)造性的技術和管理活動。學生們認識到，失效分析工作者應具有寬廣的基礎知識和扎實的專業(yè)知識，失效分析工作是對機械、材料和管理等方面知識的綜合運用。同時，僅具有專業(yè)知識是不夠的，正確的分析思路是關鍵。通過案例剖析和動手實驗，學生們對失效分析的過程和手段有了較為深入的認識，在教師的引導下，每名學生都針對案例提交了自己的分析方案，分析方案基本上都是切實可行的，這說明學生們已經(jīng)初步掌握了失效分析的思路，這也正是本實驗課程的教學目標。

四、結(jié)語

失效分析是一項思路與動手能力并重的工作，本課程在介紹失效分析基礎知識的基礎上，注重對學生失效分析思路的培養(yǎng)，結(jié)合典型案例的剖析，讓學生掌握常見失效分析的手段和方法，通過實際操作，鞏固教學成果，達到了預期的教學目的，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

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

[2]張棟.機械失效的實用分析[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年全國失效分析學術會議論文集，2015.

[4]鐘群鵬，趙子華.斷口學[M].北京：高等教育出版社，2006.