Анализ отказов

Анализ отказов — это процесс сбора и анализа данных для определения причины сбоя , часто с целью определения корректирующих действий или ответственности.По мнению Блоха и Гайтнера, «отказы оборудования выявляют цепочку причинно-следственных реакций… обычно это недостаток, обычно называемый симптомом…». Анализ отказов может спасти деньги, жизни и ресурсы, если все сделано правильно и приняты соответствующие меры. Это важная дисциплина во многих отраслях обрабатывающей промышленности, например, в электронной промышленности , где она является жизненно важным инструментом, используемым при разработке новых продуктов и улучшении существующих продуктов. Процесс анализа отказов основан на сборе вышедших из строя компонентов для последующего изучения причины или причин отказа с использованием широкого спектра методов, особенно микроскопии и спектроскопии . Методы неразрушающего контроля (NDT) (такие как промышленная компьютерная томография ) ценны, поскольку анализ не влияет на вышедшие из строя изделия, поэтому при проверке иногда начинают использовать эти методы.

Судебное расследование

Криминалистическое расследование неисправного процесса или продукта является отправной точкой анализа сбоя. Такое расследование проводится с использованием научных аналитических методов, таких как электрические и механические измерения, или путем анализа данных о сбоях, таких как отчеты о браке продукции или примеры предыдущих сбоев того же типа. методы судебно-технической экспертизы Особую ценность при отслеживании дефектов и недостатков продукции имеют . Они могут включать усталостные трещины, хрупкие трещины, возникающие в результате коррозионного растрескивания под напряжением или растрескивания под воздействием окружающей среды , например, . Показания свидетелей могут оказаться полезными для восстановления вероятной последовательности событий и, следовательно, причинно-следственной связи. Человеческий фактор также можно оценить, когда определена причина сбоя. Существует несколько полезных методов предотвращения возникновения сбоев продукта, в том числе анализ видов и последствий отказов (FMEA) и анализ дерева отказов (FTA) - методы, которые можно использовать во время создания прототипа для анализа отказов до того, как продукт поступит в продажу.

Некоторые из методов, используемых при анализе отказов, также используются при анализе необнаруженных неисправностей (NFF) , который представляет собой термин, используемый в области технического обслуживания для описания ситуации, когда первоначально сообщенный вид отказа не может быть воспроизведен оценщиком. техническим специалистом, поэтому потенциальный дефект не может быть устранен.

NFF может быть вызван окислением, дефектными соединениями электрических компонентов, временными замыканиями или обрывами в цепях, ошибками программного обеспечения, временными факторами окружающей среды, а также ошибкой оператора. Большое количество устройств, о которых сообщается как NFF во время первого сеанса устранения неполадок, часто возвращаются в лабораторию анализа отказов с теми же симптомами NFF или постоянным режимом отказа.

Термин «анализ неудач» также применим к другим областям, таким как управление бизнесом и военная стратегия.

Инженеры по анализу отказов

Инженер по анализу отказов часто играет ведущую роль в анализе отказов, независимо от того, выходит ли из строя компонент или продукт при эксплуатации или происходит ли отказ на производстве или во время производственной обработки. В любом случае необходимо определить причину неисправности, чтобы предотвратить возникновение неисправности в будущем и/или улучшить производительность устройства, компонента или конструкции. Инженеры-строители и инженеры-механики очень распространены на этой работе. Более конкретные специальности также могут занять должность, например, инженера-материалиста. Специализация в области металлургии и химии всегда полезна наряду со свойствами и прочностью материалов. Кого-то можно нанять по разным причинам, будь то дальнейшее предотвращение или вопросы ответственности. Средняя зарплата инженера по анализу отказов, инженера с опытом работы в этой области, составляет 81 647 долларов. Инженер по анализу отказов требует хороших навыков общения и умения работать с другими. Обычно нанимаемый человек имеет степень бакалавра технических наук, но есть и сертификаты, которые можно получить.

Методы анализа

Анализ отказов множества различных продуктов предполагает использование следующих инструментов и методов:

Микроскопы

• Оптический микроскоп
• Сканирующий акустический микроскоп (САМ)
• Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
• Атомно-силовой микроскоп (АСМ)
• Стереомикроскоп
• Фотонно-эмиссионная микроскопия (ПЭМ)
• Рентгеновский микроскоп
• Инфракрасный микроскоп
• Сканирующий СКВИД-микроскоп
• USB-микроскоп

Подготовка проб

• Струйный травитель
• Плазменный травитель
• Металлография
• Инструменты для прореживания обратной стороны
  • Механическое утончение обратной стороны
  • Лазерное химическое травление обратной стороны

Спектроскопический анализ

• Импульсная спектроскопия линии передачи (TLPS)
• Электронная оже-спектроскопия
• Спектроскопия переходных процессов глубокого уровня (DLTS)

Модификация устройства

• Травление сфокусированным ионным лучом (FIB)

Анализ поверхности

• Капиллярный контроль красителя
• Другие инструменты анализа поверхности

Электронная микроскопия

• Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
  • Ток, индуцированный электронным лучом (EBIC) в SEM
  • Изменение напряжения, вызванное зарядом (CIVA) в SEM
  • Контраст напряжений в SEM
  • Дифракция обратного рассеяния электронов (EBSD) в SEM
  • Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) в СЭМ
• Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)
• Растровый электронный микроскоп с компьютерным управлением (CCSEM)

Инжекционная микроскопия лазерного сигнала (LSIM)

• Стимуляция фотоносителя
  • Статический
    • Ток, индуцированный оптическим лучом (OBIC)
    • Светоиндуцированное изменение напряжения (LIVA)
  • Динамический
    • Лазерная переделка устройств (LADA)
• Термальная лазерная стимуляция (ТЛС)
  • Статический
    • Изменение сопротивления оптическим лучом (ОБИРЧ)
    • Термически индуцированное изменение напряжения (TIVA)
    • Внешнее индуцированное изменение напряжения (XIVA)
    • Визуализация эффекта Зеебека (SEI)
  • Динамический
    • Мягкая локализация дефектов (SDL)

Полупроводниковое зондирование

• Механическая зондовая станция
• Электронно-лучевой зонд
• Лазерные датчики напряжения
• Зонд фотонной эмиссии с временным разрешением (TRPE)
• Нанозондирование

Программные методы определения неисправностей

• САПР-навигация
• Автоматическое создание тестовых таблиц (ATPG)
• [Чипбондер]

Тематические исследования

На мосту через залив вышли из строя две срезные шпоночные стержни.

Люди по делу

Г-н Брахими является американским консультантом Bridge Fluor и имеет степень магистра в области инженерии материалов.

Г-н Агилар является руководителем отдела испытаний конструкционных материалов Caltrans и имеет 30-летний опыт работы инженером.

Г-н Кристенсен, консультант Caltrans с 32-летним опытом работы в металлургии и анализе отказов.

Шаги

Визуальное наблюдение, то есть неразрушающий контроль. Это выявило признаки хрупкости без остаточной пластической деформации перед разрушением. Были показаны трещины, которые стали последней точкой разрушения срезных шпоночных стержней. Инженеры подозревали, что в образовании трещин участвовал водород.

Сканирующая электронная микроскопия , которая представляет собой сканирование поверхностей с трещинами под большим увеличением для лучшего понимания трещины. Полный перелом произошел после того, как стержень не выдержал нагрузки, когда трещина достигла критического размера.

Микроструктурное исследование , при котором исследовались поперечные сечения, чтобы получить больше информации о межсетевых связях металла.

Испытание на твердость с использованием двух стратегий: твердости по Роквеллу C и микротвердости по Кнупу, которые показывают, что термообработка проводилась неправильно.

Испытание на растяжение сообщает инженеру, что предел текучести, предел прочности и удлинение достаточен для соответствия требованиям. Несколько произведений были взяты и исполнены Anamet Inc.

Испытание на удар по Шарпи с V-образным надрезом показывает прочность стали путем взятия различных образцов стержня и выполнено Anamet Inc.

Химический анализ был окончательным испытанием, также проведенным Anamet Inc., которое соответствовало требованиям, предъявляемым к этой стали.

Заключение тематического исследования

Стержни вышли из строя из-за водородного охрупчивания, которое было восприимчиво к водороду от высокой растягивающей нагрузки и водороду, уже находящемуся в материале. Стержни вышли из строя не потому, что не отвечали предъявляемым к этим стержням требованиям по прочности. Хотя они соответствовали требованиям, структура была неоднородной, что приводило к различной прочности и низкой ударной вязкости.

Это исследование показывает несколько способов проведения анализа отказов. Все всегда начинается с неразрушающего наблюдения, например с места преступления. Затем из исходного куска берутся куски материала, которые используются в различных наблюдениях. Затем проводятся разрушающие испытания, чтобы определить прочность и свойства материала и определить, что именно пошло не так.

Неудачный анализ отказов

Оклендское шоссе Нимиц — это мост, который рухнул во время землетрясения даже после реализации программы по укреплению моста. Разным инженерам был задан вопрос, как они оценивают ситуацию. Некоторые не обвиняли программу или департамент, например Джеймс Роджерс, который сказал, что во время землетрясения «есть хороший шанс, что Эмбаркадеро сделает то же самое, что и Нимиц». Другие говорили, что можно было бы предпринять больше мер по предотвращению. Пристли сказал, что «ни один из проектов департамента по укреплению дорог не решает проблемы слабости…» в стыках моста. Некоторые эксперты согласились, что можно было сделать больше, чтобы предотвратить эту катастрофу. Программа подвергается критике за то, что она делает «провал еще более серьезным».

От лица инженера-конструктора

Ячейка для испытаний реактивных двигателей

Продукт должен работать даже в самых сложных сценариях. Это очень важно для продуктов, предназначенных для дорогостоящих конструкций, таких как здания или самолеты. Выход из строя этих деталей может привести к серьезным повреждениям и/или проблемам безопасности. Проектирование продукта начинается «... так, чтобы минимизировать опасности, связанные с этим «наихудшим сценарием». Для определения наихудшего сценария требуется полное понимание продукта, его нагрузки и условий эксплуатации. Прежде чем продукт поступит в эксплуатацию, прототип часто подвергается лабораторным испытаниям, которые доказывают, что продукт выдерживает худший сценарий, как и ожидалось». Некоторые из испытаний, проводимых сегодня на реактивных двигателях, представляют собой очень интенсивную проверку того, выдержит ли двигатель:

• попадание в организм мусора, пыли, песка и т.п.;
• попадание града, снега, льда и т.п.;
• употребление чрезмерного количества воды.

Эти испытания должны быть более сложными, чем испытания продукта при использовании. Двигатели работают на полную мощность, чтобы гарантировать, что продукт будет работать должным образом, независимо от условий. Анализ отказов с обеих сторон направлен на предотвращение повреждений и поддержание безопасности.

См. также

• Анализ металлургических отказов
• Причина неисправности
• Сокращения в микроскопии
• Список методов анализа материалов
• Список ресурсов по тестированию материалов
• Анализ видов и последствий отказов (FMEA)
• Частота отказов
• Судебная электротехника
• Судебная инженерия
• Судебная материаловедение
• Судебная полимерная инженерия
• Судебная медицина
• Микроскоп
• Материаловедение
• Оборудование для подготовки проб
• Анализ аварий
• Характеристика (материаловедение)
• Системы отчетности, анализа и корректирующих действий по отказам (сбор данных об отказах)

Ссылки

Библиография

• Статья на эту тему в архиве IEEE.
• Конечно-элементная реализация расширенных критериев разрушения композитов

Дальнейшее чтение

• Мартин, Перри Л., Справочник по анализу электронных отказов , McGraw-Hill Professional; 1-е издание (28 февраля 1999 г.) ISBN   978-0-07-041044-2 .
• Анализ отказов микроэлектроники , ASM International; Пятое издание (2004 г.) ISBN   978-0-87170-804-5
• Луковски Д., Анализ отказов древесины и изделий из нее , McGraw-Hill Education; 1-е издание (2015 г.) ISBN   978-0-07-183937-2 .