职业培训：失效分析知识.docx

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1、职业培训I:失效分析知识失效分析是一门开展中的新兴学科，近年开始参军工向普通企业普及，它是根据失效模式和现 象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。在提高 产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。目录1 .失效分析的基本概念11.1. 1.失效的分类21.2. 失效的开展过程31.3. 失效分析的实施步骤41.4. 小结4.失效分析流程52 .失效分析方法53. 1.前述53. 2.失效模式诊断63. 3.失效原因诊断83. 4.失效机理诊断84.各种材料失效分析检测方法94. 1. PCB/PCBA 失效分析94.2.

2、 电子元器件失效分析104.3. 金属材料失效分析114.4. 4. 高分子材料失效分析124.5. 复合材料失效分析134.6. 涂层/镀层失效分析141.失效分析的基本概念一般的，狭义上的失效指的是机电产品丧失功能的现象，而失效分析那么是分析诊断失效的模 式、原因和机理，研究采取补救预测和预防措施的技术活动和管理活动，同时，与之相关的理论、 技术和方法相交叉的综合学科那么称之为失效学。第1页共15页导热系数（稳态热流法、激光散射法）电性能测试：击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移破坏性能测试：染色及渗透检测4.2.电子元器件失效分析电子元器件技术的快速开展和可靠性的提高奠定了现代电子装备的基

3、础，元器件可靠性工作的 根本任务是提高元器件的可靠性。失效模式开路，短路，漏电，功能失效，电参数漂移，非稳定失效等常用手段电测：连接性测试电参数测试功能测试无损检测：开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）微区分析技术（FIB、CP）制样技术：开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）微区分析技术（FIB、CP）显微形貌分析：光学显微分析技术扫描电子显微镜二次电子像技术外表元素分析：扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS俄歇电子能谱分析（AES）X射线光电子能谱

4、分析（XPS）二次离子质谱分析（SIMS）无损分析技术：X射线透视技术第10页共15页三维透视技术反射式扫描声学显微技术(C-SAM)4. 3.金属材料失效分析随着社会的进步和科技的开展，金属制品在工业、农业、科技以及人们的生活各个领域的运用 越来越广泛，因此金属材料的质量应更加值得关注。图2船用柴油机曲轴齿轮失效模式设计不当，材料缺陷，铸造缺陷，焊接缺陷，热处理缺陷常用手段金属材料微观组织分析:金相分析X射线相结构分析外表剩余应力分析金属材料晶粒度成分分析：直读光谱仪、X射线光电子能谱仪(XPS)、俄歇电子能谱仪(AES)等物相分析：X射线衍射仪(XRD)剩余应力分析：x光应力测定仪机械性能

5、分析：万能试验机、冲击试验机、硬度试验机等第11页共15页4. 4.高分子材料失效分析高分子材料技术总的开展趋势是高性能化、高功能化、复合化、智能化和绿色化。因为技术的 全新要求和产品的高要求化，而需要通过失效分析手段查找其失效的根本原因及机理，来提高产品 质量、工艺改进及责任仲裁等方面。失效模式断裂，开裂，分层，腐蚀，起泡，涂层脱落，变色，磨损失效常用手段成分分析：傅里叶红外光谱仪(FTIR)第12页共15页显微共焦拉曼光谱仪(Raman)扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS)X射线荧光光谱分析(XRF)气相色谱质谱联用仪(GC-MS)裂解气相色谱-质谱联用(PGC-MS)核磁共振分析(NMR

6、)俄歇电子能谱分析(AES)X射线光电子能谱分析(XPS)X射线衍射仪(XRD)匕行时间二次离子质谱分析(TOF-SIMS)热分析：差示扫描量热法(DSC)热机械分析(TMA)热重分析(TGA)动态热机械分析(DMA)导热系数(稳态热流法、激光散射法)裂解分析：裂解气相色谱质谱法凝胶渗透色谱分析(GPC)熔融指数测试(MFR)断口分析：扫描电子显微镜(SEM), X射线能谱仪(EDS)等物理性能分析：硬度计，拉伸试验机，万能试验机等4. 5.复合材料失效分析复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成。具有比强度高，优良的韧性，良好的 环境抗力等优点，因此在实际生产中得以广泛应用。失效模式

7、断裂，变色失效，腐蚀，机械性能缺乏等常用手段第13页共15页无损检测：射线检测技术(X射线、Y射线、中子射线等)，工业CT,康普顿背散射成像(CST)技术，超声检 测技术(穿透法、脉冲反射法、串列法)，红外热波检测技术，声发射检测技术，涡流检测技术，微 波检测技术，激光全息检验法等。成分分析：X射线荧光光谱分析(XRF)等，参见高分子材料失效分析中成分分析。热分析：重分析法(TG)、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械分析法(TMA)、动态热机械分析(DMTA)、 动态介电分析(DETA)破坏性实验：切片分析(金相切片、聚焦离子束(FIB)制样、离子研磨(CP)制样)4. 6.涂层/镀层失效分

8、析左IC分层失效、右涂层样品界面点腐蚀失效失效模式分层，开裂，腐蚀，起泡，涂/镀层脱落，变色失效等常用手段成分分析：参见高分子材料失效分析热分析：参见高分子材料失效分析断口分析：体式显微镜(0M)扫描电镜分析(SEM)物理性能：第14页共15页拉伸强度、弯曲强度等第15页共15页:震瞬颜I峰棒失效的分类我们常说的失效从失效模式和失效机理上来说，一般按下述方法进行分类：1、断裂失效：断裂失效常分为韧性断裂和脆性断裂两类，而脆性断裂又分为低温脆性断裂、 辐射脆化断裂、氢损伤（氢脆）、应力腐蚀、液态金属脆化、液体侵蚀损伤、高温应力断裂（即蠕变断 裂）、疲劳断裂这几种。2、非断裂失效：基本分为磨损失效

9、、腐蚀失效、变形失效几种，磨损失效一般包含磨粒磨 损、粘着磨损两种，腐蚀失效分为氧化腐蚀和电化学腐蚀两种，变形时效分为弹性变形和塑性变形 失效两种。3、复合失效机理，顾名思义就是多种失效机理综合作用而成导致的失效，例如低周疲劳导致 的断裂即是韧性断裂和疲劳断裂两种机理复合作用而成的，再如机件受高温应力+电化学腐蚀复合 作用下，会出现烧蚀热蚀的失效现象等等。第2页共15页小 海麻绘那么翁新失效的开展过程产品失效的开展过程一般遵循“浴盆曲线”状，可以将其分为三个时期：1、早期失效期，即产品使用初期，由于设计缺陷或者制造缺陷而导致明显的失效。2、偶然失效期，在理想状况下，产品是不应出现“失效”现象的

10、，而由于环境、操作方法、管理 不善等原因导致的潜在缺陷，会在某一时期导致偶然的失效，该阶段称为偶然失效期。3、磨损失效期，该阶段是产品在出现失效萌芽之后的曲线增长到最终失效期，又称为损耗失 效。产品按照其失效开展过程分类对于可靠性工程来说是十分有用的。第3页共15页故障率,域彳副题前侧翁箫1.1. 失效分析的实施步骤1、保护失效现场；基本原那么就是保护现场的一切证据维护其原状。2、侦察失效现场，收集背景材料；现场侦察并记录的工程包括但不限于以下内容：(1)失效部件及碎片的尺寸大小、形状和散落方位；(2)周围散落的金属屑、粉末、氧化皮、润滑残留物及一切可疑物质等；(3)失效部件外表特征；(4)设

11、备或部件的特征；(5)周围环境条件。3、听取操作人员及佐证人员描述失效现象：(1)制定失效分析计划；(2)执行失效分析计划；(3)综合评定失效分析结果；(4)研究补救措施和预防措施；(5)起草、评审并最终提出失效分析报告。1.2. 小结失效分析是对机电产品出现失效现象后的系统工作，它可以为后续的产品开发、设备运转及维 护等方面提供技术基础和前提条件，是生产过程中的平安保障。第4页共15页2.失效分析流程化学成分分析微观断口分析常我力学性能测定金相分析确定失效性思制造件和使 用件的统计分析有关失效抗力指标的溺零部件应力 分布测定及计襄定量断口 学分析找出具体_L 复合 设计I综:分析I确定失效原

12、因 提出改道措施 迸行生产与培图1失效分析流程3.失效分析方法3. 1.前述产品发生失效后，一旦到达不可接受的程度，就要开展失效分析工什么是不可接受的程度？两 个标准，一是产品失效的后果很严重，比方产品失效直接造成人身平安、重大财产损、严重环境污 染等重大事故，不用说必须要进行失效分析，查明原因，明确责任，针对原因进行改进；二是产品 失效的数量比拟多，影响了企业利润，对那些多发的失效就要开展失效分析，查明原因，进行改 进。所以失效分析其实是一个从失效模式到失效原因再到失效机理的诊断过程。失效分析方法的熟练运用高度依赖特定领域知识，如电子产品依赖电子学知识、机械产品依赖 机械学知识。如果与医学进

13、行类比的话，失效分析方法的细分可以类似于医院按照疾病种类划分科 室的情况，比方内科（疾病）、外科（疾病）、肿瘤科等等。失效分析的机构相当于医院，失效分析的 专家相当于医生。想要治好病（失效），必须先根据病症（失效模式）查明病因（失效原因），再弄清病理 （失效机理），才能对症下药（设计、工艺、使用、维修等方面的改进）。失效分析或失效诊断既依赖各专业学科领域的知识积累，更依赖失效分析机构、失效分析专家第5页共15页 的经验积累。如果在一家各方面条件都非常优秀的失效分析机构里，长期从事某一领域的失效分析 工作，熬成专家，那就是这个领域失效分析的牛人了，牛人再进阶，就是神人了。这种情景与“在 最好的医

14、院、最好的科室成为最好的医生”是相通的。虽然失效分析主要靠领域知识、领域机构和领域专家，但其也具有共性的方法论基础。钟群鹏院士在机电装备失效分析预测预防进展一一失效学体系的形成和开展一文中，以机 电装备失效为例，说明了失效分析从失效模式诊断到失效原因诊断再到失效机理诊断主的逐层深入 的链条关系，试图给出失效分析的共性方法论。嗯，钟群鹏院士就是机械装备失效分析的神人。4. 2.失效模式诊断失效模式是指失效的表现形式，一般可理解为失效的类型。失效模式诊断是失效分析中首当其 冲的重要问题，它对整个失效分析和预防决策来说，具有“定向”的作用。失效模式常可分为一级 失效模式、二级失效模式、三级失效模式等

15、。表1以机械装备的断裂失效和非断裂失效为例，逐层展开，介绍了不同种类失效的三级失效模 式。表1仅仅是示意，实际情形要复杂的多。失效模式的诊断一般要求诊断到二级失效模式，甚至要求诊断到三级失效模式。一般情况下， 二、三级的失效模式的诊断比一级失效模式的诊断要难得多，但它们对失效原因的诊断以及失效机 理的诊断是不可缺少的。特别需要指出的是，不同的失效模式，进行失效诊断的依据并不相同，如开展断裂失效模式诊 断的依据有：(1)失效残骸根据残骸的轨迹、断口的宏观性质、断口的变形顺序等首先寻找破坏件(肇事件)， 然后对首先破坏件的断口性质、裂纹走向、变形情况、痕迹来源、力学性能、显微组织、工艺过 程、热处

16、理状态等进行单项和综合的分析，对失效模式进行判断。(2)应力分析包括应力的来源、性质和大小的估算，特别是对首先破坏件的结构和受力的分析和 估算、工况和环境分析，并与断口的定性和定量分析相对照，以及与仍在服役件的调查相结合进行 综合分析，对失效模式进行判断。(3)失效模拟对主要的失效模式和主要的控制或影响参量在实验室或现场进行模拟试验，并对模 拟失效的断口与实际(肇事件)断口进行比照分析，对其失效模式进行判断。表1机电装备断裂失效和非断裂失效对应的三级失效模式第6页共15页级失效模式二级失效模式三级失效模式断裂失效韧性断裂失效脆性断裂失效疲劳断裂失效频 率高频疲劳失效 低频疲劳失效要准确、清晰地

17、开展失效模式诊断大多数情况下是一件十分困难又不得不做的艰苦工作。以磨一级失效模式二级失效模式三级失效模式高低混频疲劳失效应力 大小高周疲劳失效 低周疲劳失效 高低周复合疲劳失效应力 来源机械疲劳失效弯曲疲劳失效 扭转疲劳失效 拉-拉疲劳失效 接触疲劳失效热疲劳失效非断裂失效腐蚀失效均匀腐蚀电偶腐蚀或双金属腐蚀缝隙腐蚀孔蚀晶间腐蚀选择性浸出冲蚀或气蚀应力腐蚀和氢损伤磨损失效磨粒磨损失效 黏着磨损失效 疲劳磨损失效 腐蚀磨损失效 微动磨损失效变形失效损失效和腐蚀失效的诊断为例进行说明。磨损失效模式的诊断一般是依据：被磨损外表的形貌和亚外表层组织与性能的变化；磨屑形貌、磨屑成分组织结构的变化；磨损系

18、统中各参量的关系和变化等。但由于磨损本身是一种伴随着摩擦的存在而存在的摩擦面材料的逐步损失、迁移或变形的过 程，虽然一般认为有摩擦就有磨损，但磨损并不等于磨损失效。由磨损到磨损失效实际存在一个由 量变到质变的转化，对于不同的机械、这种转化的分界点是不一样的。因此，磨损失效的失效点的 判定问题，是磨损失效模式的诊断与断裂失效模式的诊断之间一个明显的不同，也是磨损失效模式 诊断的难题之一。这是磨损失效模式诊断中首先需要解决的问题之一。腐蚀失效过程的影响因素很多、随机性较强、实验室研究结果又与工程实际有较大差距。至 今，对于腐蚀失效模式、原因和机理的诊断，基本上仍是唯象和定性的、经验的和统计的方法占

19、支 配地位，失效模式的诊断可分为定性诊断和定量诊断。定性诊断是模式诊断的基础和前提，定量诊断那么是模式诊断的深入和开展。定性诊断的技术和 方法主要用于一级失效模式的诊断，而定量诊断技术和方法那么主要用于二级或三级失效模式的诊第7页共15页 断。定性诊断的技术和方法主要是依据失效残骸的分析，特别是肇事件的宏观断口分析的结果，进 行判断。而定量诊断的技术和方法那么需要根据应力分析和失效模拟的结果进行判断。只有根据失效 事故的具体情况，合理地选用定性和定量的技术和方法，才能根据单一的和综合的判据，对失效的 一、二级甚至三级模式进行正确的、适时诊断。3. 3.失效原因诊断失效原因是指酿成失效事件的直接

20、关键因素。失效原因也可分为一级、二级、甚至三级失效原 因。一级失效原因，一般指酿成该失效事件的首先失效件（肇事件）失效的直接关键因素。按照其处 于投付使用过程中的阶段或工序，可分为设计原因、制造原因、使用原因、环境原因、老化原因 等。二级失效原因是指一级失效原因中的直接关键环节，如设计原因中又可分为设计原那么、设计思 路和方案、结构形状和受力计算、选材和力学性能等次级原因。失效原因的诊断是失效分析和预防 的核心和关键，它不仅是失效预防的针对性和有效性的重要前提和基础，而且它常与酿成失效事件 的责任部门和人员相联系。因此，对失效原因诊断应该特别强调其科学性和公正性。失效原因诊断的思路和方法有不同

21、的分类方法。按诊断采用的方法可以分为理化诊断方法和系 统工程诊断方法。理化诊断方法又可分为以失效件（肇事件）的强度、生产工艺、服役条件和设备类 别为主的诊断方法等。3.4. 失效机理诊断失效机理的诊断是指对失效的内在本质、必然性和规律性的研究，它是人们对失效性质认识的 理论升华和提高。一个失效事件是外因和内因共同作用的结果。常把应力、温度、气氛介质等作为 影响失效的外因；而把材料的成分、组织、缺陷、性能和它们的表现当作影响失效的内因。失效的机理学就是内因和外因共同作用而最终导致失效事件发生的热力学、动力学和机构学， 即研究失效内在的必然性和固有的规律性的学问。拿疾病来作比喻，失效模式相当于病症

22、，失效原 因是生病的原因，而失效机理那么相当于病理。一个失效事件，在失效机理尚未揭示的情况下就得出失效模式和原因的诊断结论意见，很可能 是不牢靠的，或者是不科学的，并有可能造成误判，因此，失效机理的诊断或研究是十分重要的， 而且，只有揭示失效的必然性和规律性，才能真正做到对同类失效事件的有效预防，做到“举一反 三”和“亡羊补牢”。第8页共15页失效机理诊断的基础是对失效机理的研究。失效机理的研究可分为宏观失效机理的研究(即失 效的热力学和动力学研究)和微观失效机理的研究(即失效的微观机制理论和模型的研究)。按照研究 尺度的大小，微观失效机理的研究乂可分为细观尺度、分子尺度和原子尺度的研究。失效

23、机理研究采用的方法可分为定性的方法和定量的方法。定量的方法又可分为确定型方法和 概率型(或模糊型)方法。失效机理研究所采用的模型按所属学科分为理化模型和物理数学模型，并 可进一步细分为力学模型、物理模型、化学模型、材料学模型、数学模型以及它们联合作用的复合 模型，具体的有：界限模型与耐久模型、应力强度干涉模型、反响论模型、失效率模型、最弱环模 型与串联模型、绳子模型与并联模型、比例效应模型、退化模型或损伤积累模型等，可以看出，失 效机理的定量研究的内容和范围十分广泛和充实。4.各种材料失效分析检测方法4. 1. PCB/PCBA失效分析PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为重要而关键的 局部，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。失效模式爆板、分层、短路、起泡，焊接不良，腐蚀迁移等。常用手段无损检测：外观检查，X射线透视检测，三维CT检测，CSAM检测，红外热成像外表元素分析：扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS)显微红外分析(FTIR)俄歇电子能谱分析(AES)X射线光电子能谱分析(XPS)二次离子质谱分析(TOF-SIMS)热分析：差示扫描量热法(DSC)热机械分析(TMA)热重分析(TGA)动态热机械分析(DMA)第9页共15页