西安交通大学失效分析与防止课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 失效分析与防止 Failure Analysis 课程编号 MATL500302 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论:32 实验: 0 上机: 0 课外: 0 （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-2 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 材料力学性能、机械工程材料 教材、参考 书及其他 资料 使用教材：[1]孙智，江利，应鹏展 失效分析-基础与应用， 机 械工业出版社，北京：2009 参考教材：[1]钟群鹏，张峥，骆红云。材料失效诊断、预测和 预防，北京：中南大学出版社，2009. [2] 张栋，钟培道，陶春虎，雷祖圣.失效分析，北京：国防工 业出版社，2004. 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 金属构件在使用过程中失去其原有的功能，就导致失效。金属构件的失效直 接关系到设备与产品的使用寿命及工程安全，一些重大的失效事件还会导致人身 伤亡和财产的巨大损失。人们在长期的生产科研实践中认识到，必须系统地研究 各类金属构件的失效形式、影响因素、分析的方法和预防的措施，才可望在创造 优质产品、增加经济效益以及确保安全方面获得成功，并在这些方面积累了丰富
的经验，逐步形成了失效分析工程学的基本体系。 失效分析是一种科学的系统分析方法，属于专业技术综合课程，主要通过对 各种损坏构件的故障进行分析，论述如何提高金属构件的质量和设备的安全可靠， 应用失效分析技术，可以指导各类产品的设计、选材、加工、寿命评估、质量检 测及管理等工作。故障分析的目的和任务是找出产品故障的根本原因，并提出纠 正建议，以避免同样的故障再次发生。产品失效不可避免地发生在产品设计、生 产和使用的各个阶段。产品质量和可靠性与每个企业的成功息息相关。失效分析 是提高产品质量和可靠性最有效、最直接的方法。课程教学中，要求教师既要给 学生讲授金属材料的力学性能、断裂方式等基础理论知识，还要强调基于金属材 料性能优化的各种制备工艺及实际应用，让学生从材料的服役环境出发，选择相 应的材料性能特点，从而选择出相应的材料制备工艺方法，锻炼学生理论结合实 际的能力。课程将结合案例研究，描述完整的失效分析过程和失效分析报告。学 生可以自己测试自己对各章主要内容的理解和掌握程度。通过该课程的系统学习， 要求学生掌握各种失效特征及原因、影响产品质量的各种因素、解决构件早期失 效的措施，了解失效分析经常使用的设备、方法、标准，能够通过课程学习具有 一定的构件故障分析及排除能力。同时，通过课程教学、交流、自主学习与查阅 资料、总结归纳，能够评价材料制备、生产和应用过程中的材料失效对环境和社 会经济可持续发展的影响，加深对我国材料研究、制备和加工等方面的了解，建 立一定的环境保护意识。提出预防和改进的措施等分析方法，以及预防和改进的 措施。课程组织学生分组讨论，共同完成老师布置的课题，并以 PPT 讨论的形式， 锻炼学生查阅文献资料的能力，以及沟通交流与表达的能力。本课程没有实验， 但将介绍一些实验设备和技术。 2.2 课程的目标及学生应该达到的能力 1 失效分析领域基础知识理解能力 通过该课程的系统学习，要求学生掌握各种失效特征及原因、影响产品质量 的各种因素、解决构件早期失效的措施，了解失效分析经常使用的设备、方法、 标准，能够通过课程学习具有一定的构件故障分析及排除能力
2.设计/开发解决方案 掌握金属零件的常用制备方法，结合案例研究，分析在日常服役环境中已经 出现的金属材料断口，描述完整的失效分析过程和失效分析报告。通过该课程的 系统学习，要求学生掌握各种失效特征及原因、影响产品质量的各种因素、解决 构件早期失效的措施，了解失效分析经常使用的设备、方法、标准，能够通过课 程学习具有一定的构件故障分析及排除能力。 支撑毕业要求指标点 3-2：能够针对材料在特定服役环境下对特殊性能、服 役寿命或其他需求，完成材料单元、部件的设计。 3.环境和可持续发展 通过课程教学、交流、自主学习与查阅资料、总结归纳，能够评价材料制备、 生产和应用过程中的材料失效对环境和社会经济可持续发展的影响，加深对我国 材料研究、制备和加工等方面的了解，建立一定的环境保护意识。提出预防和改 进的措施等分析方法，以及预防和改进的措施。 支撑毕业要求指标点 7-2：能够正确评价材料生产和使用周期对环境、社会 可持续发展的影响，在设计解决方案的过程中能正确处理二者的关系。 表 2-1 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕业要求 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课程目标 1 课程目标 2 M 课程目标 3 M 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的 关联关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序号 章节名称 知识点 参考 学时 1 概论 1.1 失效与失效分析 1.2 失效分析的意义 1.3 失效分析的现状与发展趋势 零件失效 事前分析 事中分 析 事后分析 经济效益 质量 提高 失效分析工作特点 2 2 失效分析基础知识 机械零件失效形式和原因 过 量变形 断裂及表面损伤 应 4
2.1 机械零件失效形式与来源 2.2 应力集中与零件失效 2.3 残余应力与零件失效 2.4 材料的韧性与断裂设计 2.5 应力分析与失效分析 力集中 残余应力 断裂韧度 应力状态分析与强度理论 单 向拉(压)应力 平面拉应力 弯曲应力 扭转应力 交变应 力 接触应力 3 失效分析基本方法 3.1 失效分析的思路及方法 3.2 失效分析的程序及步骤 3.3 断口分析 失效分析的思想方法 失效分 析的步骤 断口处理方法及断 口分析的任务 断口的微观分 析 4 4 断裂失效分析 4.1 过载断裂失效分析 4.2 材料致脆断裂失效分析 4.3 环境致脆断裂失效分析 4.4 混合断裂失效分析 4.5 疲劳断裂失效分析 过载断裂失效的定义 断口的 “三要素” 影响过载断裂失 效特征的因素 扭转和弯曲过 载断裂断口特征 低温脆断断 裂失效分析、疲劳断裂失效分 析、金属腐蚀、应力腐蚀破坏 失效分析、蠕变失效分析、电 子元器件失效分析 10 5 现代测试技术在失效分析中的应用 TEM、SEM、电子探伤、光学显 微镜等测试技术 2 6 磨损与腐蚀失效分析 6.1 磨损失效分析 6.2 腐蚀失效分析 磨损及磨损失效 磨损失效分 析 腐蚀及腐蚀失效 腐蚀失 效的基本类型 腐蚀失效分析 及预防 2 7 实际构件失效分析实例 M5-36-11No.20.5 风机轴断裂 分析 矿井提升绞车减速齿轮 早期开裂分析 振动压路机驱 动桥弧齿准双曲面齿轮的失 效分析等 8 四、教学安排详表
章节顺 序 教学内容 学时 分配 教学方式 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标 的支撑关系 第一章 主要讲述失效分析的意义以及失效分 析的发展现状和发展趋势。 2 授课 掌握各种失效特征及原因、影响产品质量的各 种因素、解决构件早期失效的措施，了解失效 分析的发展现状和发展趋势。 课程目标 1 第二章 失效分析基础知识 4 授课 自学 使学生掌握金属的结构及力学性能相关知识， 为学习失效分析技术打下理论基础 课程目标 1 课程目标 2 第三章 主要讲述失效分析的方法及程序，包 括过相关性分析的思路及方法，系统 工程的分析思路及方法，数理统计分 析思路及方法等 4 授课 自学 使学生能够熟练掌握“四 M”分析思路及方法， 故障树分析法（简称 FTA 法），了解特征—因 素图分析法、事件时序树分析法（简称 ETA 法）、故障率预测法、失效模式及后果分析法 （简称 FMEA 法）、模糊数学分析法，并对各类 产品的设计、选材、加工、寿命评估、质量检 测及管理等工作，提出多种解决方案和途径， 获得有效结论。 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 3 第四章 主要讲述过载断裂失效的一般特征、 影响过载断裂失效特征的因素，回火 脆性断裂失效、冷脆金属的低温脆断、 应力腐蚀开裂、蠕变断裂失效、疲劳 断裂失效 10 授课 讨论 使学生熟练掌握金属材料断裂失效的相关知 识，熟悉金属材料断裂失效的定义，了解各类 金属材料断裂失效特点以及发生的原因。通过 课堂讨论，能够根据具体的工程应用情况选择 合适的材料或者加工方法避免或者改善相关 失效情况；通过案例分析，深入理解相关知识， 初步掌握断裂失效的判定和预防。 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 3