失效分析的具體步驟和方法如下：
一、步驟
現(xiàn)場調(diào)查與數(shù)據(jù)收集
詳細(xì)描述失效發(fā)生時的現(xiàn)象，如是否有異常聲音、冒煙、異味等。對于機(jī)械產(chǎn)品，要記錄是否存在卡頓、振動異常等現(xiàn)象；對于電子產(chǎn)品，要注意是否有屏幕閃爍、死機(jī)等現(xiàn)象。
考察產(chǎn)品的使用環(huán)境，包括溫度、濕度、氣壓、是否存在化學(xué)腐蝕源（如酸、堿、鹽霧等）、是否有電磁干擾等環(huán)境因素。例如，電子設(shè)備在高溫高濕環(huán)境下可能會出現(xiàn)性能下降或失效的情況。
收集產(chǎn)品的使用歷史，如使用頻率、工作時長、是否遭受過異常應(yīng)力（如突然的撞擊、過載等）、是否進(jìn)行過維修以及維修的內(nèi)容等信息。
確定失效的產(chǎn)品或部件的名稱、型號、規(guī)格、批次等基本標(biāo)識信息。例如，對于失效的手機(jī)電池，要明確其品牌、型號、電池容量等信息。
了解產(chǎn)品的功能、性能要求和工作原理，這有助于后續(xù)分析失效對產(chǎn)品整體功能的影響。
收集基本信息
調(diào)查使用環(huán)境與歷史
記錄失效現(xiàn)象
初步檢查與判斷
根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，對失效產(chǎn)品進(jìn)行初步的功能測試，以確定失效的大致范圍。例如，對于失效的打印機(jī)，測試其打印功能、紙張傳輸功能、墨盒檢測功能等是否正常。
對比正常產(chǎn)品的功能表現(xiàn)，初步判斷可能的失效類型，如機(jī)械故障、電氣故障、軟件故障（對于智能產(chǎn)品）等。
采用目視檢查，觀察產(chǎn)品表面是否有明顯的損傷痕跡，如劃痕、裂紋、變形、變色等。例如，檢查金屬部件表面是否有銹蝕或腐蝕坑，塑料部件是否有破裂或融化跡象。
利用低倍放大鏡或光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步檢查微觀的外觀變化，如細(xì)小的裂紋、磨損痕跡等。
外觀檢查
初步功能測試
非破壞性檢測
對于非多孔性材料表面開口的缺陷，將含有顏料或熒光劑的滲透液涂覆在被檢測表面，使其滲入缺陷中，然后去除多余的滲透液，再涂上顯像劑，使?jié)B入缺陷中的滲透液被吸附并顯示出缺陷的形狀和位置。常用于檢測金屬、陶瓷、塑料等材料表面的裂紋、氣孔等缺陷。
利用鐵磁性材料在磁場中被磁化后，表面或近表面缺陷處會產(chǎn)生漏磁場，吸附磁粉從而顯示出缺陷的位置和形狀。常用于檢測鋼鐵部件表面和近表面的裂紋、夾雜物等缺陷。
通過向物體內(nèi)部發(fā)射超聲波，根據(jù)超聲波的反射、折射和衰減情況來檢測物體內(nèi)部的缺陷，如孔隙、分層、裂紋等。在金屬材料、復(fù)合材料等的檢測中應(yīng)用廣泛，例如檢測航空發(fā)動機(jī)葉片內(nèi)部是否存在微觀裂紋。
原理是利用 X - 射線穿透物體時，因物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密度的差異而產(chǎn)生不同的吸收和散射，從而形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影像。例如，在檢測電子電路板時，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的焊點是否存在虛焊、短路，以及芯片封裝內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)缺陷等情況。
X - 射線檢測（適用于有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品）
超聲檢測（常用于檢測材料內(nèi)部缺陷）
磁粉檢測（針對鐵磁性材料）
液體滲透檢測
樣品制備（如果需要進(jìn)行破壞性檢測）
根據(jù)樣品的材料類型，選擇合適的腐蝕劑對拋光后的樣品進(jìn)行腐蝕，使樣品的微觀組織能夠在金相顯微鏡下清晰地顯示出來。不同的材料可能需要不同的腐蝕劑和腐蝕時間。
對于金相分析等需要觀察微觀組織的檢測，將取出的樣品進(jìn)行研磨和拋光處理，以獲得平整、光滑的表面。這一過程需要逐步使用不同粒度的研磨砂紙，并采用合適的拋光工藝，確保樣品表面達(dá)到所需的光潔度。
根據(jù)檢測目的和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，選擇合適的切割方法，從失效產(chǎn)品中取出具有代表性的樣品。在切割過程中要注意避免對樣品造成二次損傷，例如使用精密的切割設(shè)備和合適的切割參數(shù)。
切割與取樣
研磨與拋光
腐蝕處理（針對金相分析）
破壞性檢測
根據(jù)產(chǎn)品的材料類型，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測試，如拉伸試驗、硬度試驗、沖擊試驗等。通過這些測試可以了解材料的強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能指標(biāo)，判斷是否由于力學(xué)性能不符合要求而導(dǎo)致失效。例如，金屬部件在使用過程中發(fā)生斷裂，可能是由于其拉伸強(qiáng)度不足或韌性過低。
SEM 可以提供高分辨率的樣品表面微觀形貌圖像，能夠清晰地觀察到表面的微觀裂紋、磨損痕跡、腐蝕產(chǎn)物等微觀特征。TEM 則可以用于觀察材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，如晶體缺陷、納米結(jié)構(gòu)等。這些分析有助于深入了解失效的微觀機(jī)理。
采用化學(xué)分析方法確定樣品的化學(xué)成分，如采用光譜分析（如原子吸收光譜、X - 射線熒光光譜等）確定金屬中的各種元素含量，通過化學(xué)滴定法測定某些特定成分的含量。通過與標(biāo)準(zhǔn)成分的對比，可以判斷是否由于化學(xué)成分的偏差導(dǎo)致產(chǎn)品失效，例如，鋁合金中合金元素含量不符合標(biāo)準(zhǔn)可能影響其強(qiáng)度和耐腐蝕性。
在金相顯微鏡下觀察樣品的微觀組織，包括晶粒大小、形狀、相組成、晶界狀態(tài)以及是否存在微觀裂紋、夾雜物等情況。例如，通過金相分析可以判斷金屬材料在加工過程中是否存在過熱、冷加工變形不均勻等問題，這些因素可能導(dǎo)致材料性能下降而失效。
金相分析
化學(xué)分析
電子顯微鏡分析（如掃描電子顯微鏡 - SEM、透射電子顯微鏡 - TEM）
力學(xué)性能測試（針對部分材料）
確定失效模式
根據(jù)前面的檢測結(jié)果，確定產(chǎn)品的失效模式。常見的失效模式包括斷裂、磨損、腐蝕、變形、短路、開路、泄漏、疲勞等。例如，通過觀察發(fā)現(xiàn)金屬軸類部件表面有明顯的磨損痕跡，其失效模式可確定為磨損；如果電子電路中某條線路斷開，其失效模式為開路。
分析失效機(jī)理
在確定失效模式后，深入分析導(dǎo)致這種失效模式的內(nèi)在機(jī)理。例如，對于腐蝕失效，要分析是化學(xué)腐蝕（如金屬與酸、堿的反應(yīng)）還是電化學(xué)腐蝕（如在潮濕環(huán)境下不同金屬之間形成的原電池反應(yīng)）；對于疲勞失效，要考慮是高周疲勞（應(yīng)力水平較低、循環(huán)次數(shù)較高）還是低周疲勞（應(yīng)力水平較高、循環(huán)次數(shù)較低）導(dǎo)致的。
找出失效原因
基于失效機(jī)理，找出導(dǎo)致失效的根本原因。這可能涉及產(chǎn)品的設(shè)計缺陷（如結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、選材不當(dāng)?shù)龋?、制造過程中的問題（如加工工藝不合格、裝配錯誤等）、使用環(huán)境因素（如惡劣的溫度、濕度環(huán)境、電磁干擾等）或者是多種因素的綜合作用。例如，機(jī)械產(chǎn)品的過早疲勞失效可能是由于設(shè)計時沒有考慮到實際工作中的應(yīng)力集中，再加上制造過程中存在的內(nèi)部缺陷，以及在惡劣環(huán)境下長期承受交變應(yīng)力共同導(dǎo)致的。
二、方法
物理方法
DSC 可以測量樣品在加熱或冷卻過程中的熱量變化，用于分析材料的相變溫度、結(jié)晶度、反應(yīng)熱等信息。TG 則是測量樣品在加熱過程中的質(zhì)量變化，可用于研究材料的熱穩(wěn)定性、分解溫度等。這些熱分析方法對于研究材料在溫度作用下的性能變化和失效原因有重要意義。
用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)。通過測量材料對 X - 射線的衍射圖譜，可以確定材料的物相組成、晶體結(jié)構(gòu)類型、晶格常數(shù)等信息。這對于分析由于晶體結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的失效（如材料的相變、晶體缺陷等）非常有幫助。
如前面所述，SEM 主要用于觀察樣品表面的微觀形貌，TEM 則側(cè)重于觀察材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，它們可以提供高分辨率的圖像，有助于深入分析失效的微觀原因。
利用光學(xué)顯微鏡對產(chǎn)品的外觀和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察?？梢詫悠愤M(jìn)行低倍到高倍的放大觀察，以發(fā)現(xiàn)表面的裂紋、磨損痕跡、微觀組織變化等情況。
光學(xué)顯微鏡觀察
電子顯微鏡分析（SEM、TEM）
X - 射線衍射分析（XRD）
熱分析方法（如差示掃描量熱法 - DSC、熱重分析法 - TG）
化學(xué)方法
主要用于分析樣品中的有機(jī)成分。GC 適用于分析揮發(fā)性有機(jī)化合物，LC 則更適合分析非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定的有機(jī)化合物。在失效分析中，可用于檢測產(chǎn)品中的有機(jī)污染物、添加劑的含量和種類等，例如分析塑料產(chǎn)品中的增塑劑含量是否符合標(biāo)準(zhǔn)。
如原子吸收光譜（AAS）、原子發(fā)射光譜（AES）、X - 射線熒光光譜（XRF）等。這些方法基于原子對特定波長的光的吸收、發(fā)射或熒光特性，來確定樣品中的元素種類和含量。例如，AAS 可以準(zhǔn)確測定金屬中的微量元素含量，XRF 可以快速無損地分析材料表面的元素組成。
這是一種傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，通過已知濃度的滴定劑與樣品中的待測物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)滴定劑的消耗量來確定待測物質(zhì)的含量。常用于測定金屬離子含量、酸堿度等化學(xué)指標(biāo)。
化學(xué)滴定法
光譜分析方法
色譜分析方法（如氣相色譜 - GC、液相色譜 - LC）
電學(xué)方法（針對電子產(chǎn)品）
利用電路仿真軟件，根據(jù)電路的原理圖和元件參數(shù)構(gòu)建虛擬電路模型，進(jìn)行模擬分析。可以預(yù)測電路的性能、分析故障可能出現(xiàn)的位置和原因，為失效分析提供參考。
示波器能夠顯示電路中的電壓隨時間的變化波形。通過觀察波形的形狀、幅度、頻率等特征，可以分析電路中的信號傳輸是否正常，是否存在干擾、信號失真等問題。
使用萬用表可以測量電路中的電壓、電流、電阻等基本電學(xué)參數(shù)。通過對這些參數(shù)的測量，可以初步判斷電路是否存在開路、短路、電阻異常等問題。
萬用表測量
示波器檢測
電路仿真分析
力學(xué)方法（針對材料和機(jī)械產(chǎn)品）
用于測量材料在沖擊載荷作用下的韌性。通過測定材料在一次沖擊過程中的吸收能量，可以評估材料在承受突然的外力沖擊時的抵抗能力。對于一些在使用過程中可能遭受沖擊的產(chǎn)品（如汽車零部件），沖擊試驗對于分析失效原因具有重要意義。
采用不同的硬度測試方法（如洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度等）測量材料表面的硬度。硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力，硬度值的變化可能與材料的加工工藝、熱處理狀態(tài)等因素有關(guān)，也可能是導(dǎo)致失效的原因之一。
通過對材料樣品施加軸向拉力，測量材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。這些指標(biāo)可以反映材料的強(qiáng)度和塑性性能，對于分析由于材料強(qiáng)度不足或塑性變形導(dǎo)致的失效（如金屬部件的斷裂）非常重要。
拉伸試驗
通過對材料樣品施加軸向拉力，測量材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。這些指標(biāo)可以反映材料的強(qiáng)度和塑性性能，對于分析由于材料強(qiáng)度不足或塑性變形導(dǎo)致的失效（如金屬部件的斷裂）非常重要。
硬度試驗
采用不同的硬度測試方法（如洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度等）測量材料表面的硬度。硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力，硬度值的變化可能與材料的加工工藝、熱處理狀態(tài)等因素有關(guān)，也可能是導(dǎo)致失效的原因之一。
沖擊試驗
用于測量材料在沖擊載荷作用下的韌性。通過測定材料在一次沖擊過程中的吸收能量，可以評估材料在承受突然的外力沖擊時的抵抗能力。對于一些在使用過程中可能遭受沖擊的產(chǎn)品（如汽車零部件），沖擊試驗對于分析失效原因具有重要意義。