失效分析程序论文（精选8篇）

失效分析程序论文 第1篇

程序的异常处理机制是提高软件可靠性的重要手段之一。该机制通过异常的引发、捕捉及其错误处理代码的执行,可将程序从错误状态恢复到正常状态,避免软件失效的发生[3]。所以,当该类程序中的故障在激活之后,会有一定的几率被异常处理机制侦测,最终引起异常。这说明程序中异常可看作程序故障激活后的一种表现形式。该文通过以Ipbench作为实验负载,对其进行基于正交缺陷分类[1](orthogonal defect classification, ODC)故障的故障注入实现,分析了具有异常处理机制的程序中故障激活后如何引起异常的发生,描述了该类程序中“故障-差错-异常/失效”的传播关系。

1 程序“故障-差错-异常/失效”机理分析

程序的“故障-差错-失效”过程已经得到了准确地描述[2]。在具有异常处理机制的程序中,故障激活后所生成的差错经传播后若被异常处理机制侦测,则异常发生。若对该异常处理不当,则可引起程序失效[3],过程呈现“故障-差错-异常/失效”特征。所以,可将异常看作一般差错在程序中的一种表象。程序“故障-差错-异常/失效”过程如图1所示。

以Ipbench中的_validate_cell函数为例,结合ODC故障注入实验的实施过程,对“故障差错异常”传播机理进行分析,如下:

1) 故障激活所生成的差错直接引发异常,如图2所示:<1>若第5、7行发生if语句丢失,则该控制故障使得raise语句执行而引发异常;<2>若第5行if语句的not关键词丢失,则该控制故障使得raise语句在错误判断下得到执行而引发异常;<3>若第4行中instance[‘cell_name’]被错误的编写成instance[‘cellname’],则该赋值故障使得cell_name值发生错误。该差错可使得第5行if语句的判断为True,让原本不会被执行的raise语句得到执行而引发异常。

2) 故障激活所产生的差错经过传播后引发异常,如图3所示:<1>若instance在传入_validate_cell之前存在赋值故障,则该故障可导致第4行语句中的instance[‘cell_name’]数据出错,使得第5行if语句判断为True,在raise语句得到执行后引发异常;<2>第7行中如果_cell_read_only函数存在接口故障,该故障激活后生成的差错通过函数的返回值使得if语句判断为True,在第8行raise语句执行后引发异常。

3) 无故障、无差错情况下,外界输入或外界资源违反软件规格约束而导致异常的引发。异常处理机制是软件错误处理的常用手段之一,对于在外界输入或外界资源违反软件规格约束的情况下,程序则利用该机制进行错误的侦测,并以异常的形式暴露该类错误的发生,若异常未被程序捕捉,则该类异常会导致程序崩溃[4]。文献[4]对Android平台上约800个应用组件进行了6,000,000次基于外界输入的健壮性测试。由实验数据表明,约10%的应用组件发生了崩溃且均由未捕捉异常造成。

2 实验方案介绍

这一章节将介绍向Ipbench进行基于ODC的故障注入,并对该实验结果进行分析。

2.1 Ipbench的故障注入方案

本文以分布式网络基准程序Ipbench为对象,结合文献[1]中具有代表性的ODC故障类型及其分布数据进行故障注入实验方案的设计与实施。经过对Ipbench的分析,该程序的服务端与客户端的总代码量为1016行,总共具有348个故障注入点。根据文献[1]中的ODC故障类型的分布特点,本故障注入方案中:赋值类故障为89个,控制类故障为76个,算法类故障为134个,接口类故障为14个,功能类故障为35个。

2.2实验流程

根据上述的故障注入方案,在对目标程序进行故障注入之后需要重新启动程序。在使用负载命令使得相关代码得到执行后,注入的故障得到激活。通过对故障激活后的程序表现,将其与正常无故障情况下的程序输出进行比较,然后判断当前故障是否对程序引起失效,包括:错误输出、程序挂起、程序崩溃。并且,记录当前故障是否引起程序异常的发生、引起何种异常,以达到收集准确的实验数据的目的。

2.3 实验环境

本实验在虚拟机上完成,操作系统为内核版本2.6.32的32位Linux,虚拟机硬件配置为1GB内存,Intel(R) Core(TM) i3-3217U@1.80GHz单核CPU。

3 实验结果分析

由表1所示,Ipbench中共注入348个故障,其中255个故障导致了程序崩溃,且249次崩溃是由未捕捉异常引起。该程序缺乏合理的异常处理结构对各类异常进行捕捉、处理,成为了程序崩溃的主要原因。

实验中差错得到修正后,程序仍能正常输出的原因包括但不限于:1)差错相关的数据在被使用前重新得到初始化;2)差错激活情况下的程序执行效果与无差错情况下的程序执行效果相同;3)差错所引起的异常被捕捉后,程序异常处理例程重新提供正常服务。

对于第一章节中1)和2)所描述的“故障-差错-异常”传播过程而言,若排除差错被修正后得到的正常输入数据,Ipbench中由差错引起异常的比例为97.6%。由于实验规模的限制,该数据并不能代表所有程序的异常引发率,但可表明程序中一定比例的差错能够引起程序异常,且该引发率与程序异常处理结构实现的不同而不同。对于3)中的软件健壮性问题,实际上是通过接口故障引入的,该类故障所生成的差错具有不可忽视的异常引发率[4]。

4 结论

本文研究了软件故障、差错、异常之间的传播机理,并通过故障注入实验证明该机理分析结果的正确性和合理性。该研究也为具有异常处理机制的程序进行错误行为分析及其差错数据收集提供了新的途径。

摘要：如何有效地获取具有代表性的差错数据进行差错注入仍是故障注入技术一个有待深入研究的问题。文中通过故障注入实验分析了程序的“故障-差错-异常”传播机理,说明了从异常层次进行程序错误行为分析及其差错数据收集的合理性。该研究为当前具有较大规模的、具有异常处理机制的程序进行差错数据的收集提供了新途径。

石油钻杆的应力失效分析 第2篇

关键词：石油钻杆；应力失效；断裂；分析

0引言

石油钻杆是钻井过程中主要起传递扭矩和输送泥浆的作用，承受着拉、压、扭、弯曲等交叉作用的复杂应力载荷，要想提高钻杆的工作寿命，加工材料必须具有良好的抗扭、抗冲击、抗弯曲等力学性能，必须采用良好的加工工艺和表面处理措施，提高表面质量，最大限度的消除表面应力集中。钻杆的材料一般为抗硫材料、铝合金材料、钛合金材料、超高强度钢及新型碳纤维复合材料、凯夫拉材料等等。国内常用的有95SS、105SS、S135、G105、26CrMoNbTiB、UD—165等等。这些材料才抗腐蚀、刚磨损、抗疲劳等方面各有所不同，使用的油田也不相同，文章主要针对国内常用的S135材料应用中出现的应力失效断裂情况进行探讨分析。

1.钻杆失效分析的作用

失效分析是判断钻杆失效形式、分析失效原因、研究失效处理方法，从而达到改善钻干设计原理和完善加工工艺，减少和预防钻杆因同一原因引起的重复失效断裂的不良现象，降低石油钻采的经济成本。钻杆是石油钻井设备中必不可少的工具，一般都在恶劣的环境下应用，是，应用频率高，时间长，影响使用寿命的因素多，是石油钻采中最薄弱的环节。分析钻杆的失效原因，有针对性的加以不断的改进，是防止钻杆断裂，保证在钻井中安全运行的重要措施。

2.钻杆断裂分析

文章以某钻井队的两次断裂情况进行着手分析：一是钻杆尺寸为5 1/2"X9.17mm，钢级是S135在某井下2864.3m时发生了5 1/2“的钻杆断裂事故，该井在2863.2m处遇到了4.5吨的阻力，划眼到2864m，悬重由152吨降到110吨，泵压由20MPa降到14.6MPa，起钻时发生断裂，断口离距离公接头0.62m，断口平齐，断口外径140mm，基本无扭曲塑性变形，断口有140mm长的水泥刺痕。二是钻杆尺寸为：5"X18°X8.96mmS135钢级，在井深1389.17m时发生5"X18°钻杆断裂事故。悬重由84吨降到52吨，泵压由12MPa降为8MPa，断口位于公接头加厚过渡段的终了处，距离台肩约0.48m，有泥浆刺痕，产生了45mm X 45mm刺口，呈现椭圆形扭曲塑性变形样，大直径125mm，小直径124mm。

通过对断裂钻杆的观察和对现取样分析，得到以下信息：

2.1石油钻杆的断裂大部门是处于告诉运动过程中，突然受阻，钻杆头在瞬间受到非均匀动载荷高频重复作用，产生了复杂高集中应力变化，是钻杆承受载荷大大超过额定载荷作用，发生了断裂。

2.2断裂带均处在地下较深地带，离地面扶正器较远，靠向钻杆公接头。这说明每一个钻杆的断裂都受到一定的弯曲应力的作用，且深度越深，弯曲应力起到的破坏作用越大。

2.3钻杆断裂前都受到不同程度的强阻力与钻杆的旋转力叠加在一起，在钻杆上形成一定的扭矩，加剧了钻杆的断裂倾向。

2.4断裂带一般都发生在厚度发生变化的过渡终了带，说明了钻杆在加工过程中，在杆中形成了一定的集中应力，在受到外载荷剧烈作用的时候，应力在过渡末梢放生了释放，导致裂纹的产生。

2.5断裂前有明显的哧口出现，表明断裂不是突然发生的，而是在裂缝的基础上发生的断裂，这与第四条的应力破坏正好吻合。

2.6从断裂后的材质取样分析，发现断裂前后内部仍有一定的内压力进一步影响裂纹的形成与发展。

3.造成失效的宏观和微观因素

3.1宏观因素

钻杆承受的内压力、受腐蚀造成的内表面产生的敏感缺陷，如裂纹、脱落、刺孔等等。从断口形貌的断裂方向看，切向载荷产生扭矩对裂纹的轴向扩展破坏；旋转作用弯矩使裂纹产生轴向扩展；合力产生的应力超过抗拉强度极限，造成过载断裂。从观察表明裂纹的起始和扩展方向看与表面缺陷有关，钻杆疲劳核心在管子的表面。但是，宏观特征并不能说明引起断裂的裂纹形成原因，钻杆自身使用材料的缺陷和环境因素都有可能形成内表面缺陷，如涂层自身缺陷可以导致内表面局部腐蚀，形成裂纹源；外载荷可以导致涂层破裂，引起内表面局部腐蚀； 材料内部缺陷可以形成应力集中。可以看出钻杆的断裂终与材料中的孔洞、缺口、裂纹和应力集中有密切的联系，是造成结构破损的最重要的原因。这些早期出现的裂纹和应力集中大都在锥形体与管柱之间过渡区域的圆周上，伴随着疲劳断裂始终。所以宏观因素就是疲劳断裂和刺孔穿透。

图1 断裂口的宏观特征

3.2微观因素

对引起钻杆宏观因素进行进一步研究，找出破坏机理就是微观影响因素。本文采用光学和电子显微镜对断裂和刺孔不同部位的金相组织特征和微区成分进行观察分析。具体如下实验。钻杆为S135，断裂分析采取了在断裂口上取样，重点在疲劳源区上取样，取多个点K1 ，K2，K3…（图2） 。取两个不同的钻杆B和N在各自的加粗段、过渡段和母材段分别取样，编号分别为B1， B2， B3…和N1 ， N2， N3…。裂纹分析在一只B管的内表面上疑似含有裂纹的缺陷的位置进行金相分析，按上述B序列进行编号；刺孔分析样品取自N管穿孔部位，按上述N序列编号进行实验分析。用光学和电子显微镜对断裂和刺孔的上述位置进行观察并对化学成分和力学性能进行分析，获取热处理和热加工对钻杆的影响，管段、过渡段、加粗段、断口的金相组织变化，B管内表面裂纹金相组织变化。对B、N管的墩粗段、过渡段及B管直管段进行显微硬度测试；对刺孔进行电子显微镜能谱分析、断口电子显微镜观察

图2疲劳源区

3.3通过以上实验和分析得出：

断裂失效是由钻卡加工过程中墩粗工艺温度过低，变形量过大，导致过渡段低温段

易形成一个组织不稳定的高应力集中区，成为疲劳源区。这种现象一般是来自墩粗锻造裂纹和喷砂形成的不均匀。高应力释放，必然引起裂痕，在外部高循环载荷的不断作用下，出现疲劳扩展。结合上述断口的宏观特征，可以得出过渡段低温区形成高应力区和外部循环载荷作用是断裂产生的主要原因。要防止钻杆断裂，首先是严格控制墩粗工艺，变形段的热处理过程中最低温度一定要严格控制在再结晶温度以上，并严格控制每次加热后的弯曲变形，同时要控制好内表面质量，尤其是过渡段。其次是，积极研究改进热处理工艺，提高变形区的强化处理。

刺孔主要是钻杆工作过程中，被岩石等地质结构造成中的液体腐蚀点坑造成的，是从由外表面向内进行扩展的，当蚀坑的深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔就会发生。重实验观察和分析来看，主要是由强腐蚀性的氯离子引起的。氯离子的腐蚀和点坑及液体压力是形成刺孔的主要原因。防止刺孔的措施，首先是防止氯离子的侵蚀，其次是避免钻杆在地下长期静置、运转，同时加强清洗。

4.结论

断裂和刺孔是石油钻杆当前失效的两种主要形式，从对钻杆断裂和刺孔的现场取样观察分析，可以得出，疲劳断裂是断裂的主要原因，穿透性是刺孔的主要危害和特征。通过光学仪器对断口和刺孔的金相组织、微区成分及力学性能进行仔细分析，得出钻杆的断裂与热处理工艺密切相关，刺孔与管子表面的点腐蚀行为有关。在钻杆的应该过程中，我们要根据影响的因素和钻井的地质构造情况对钻杆做好相应的处理和保护措施，提高钻杆的使用寿命。

参考文献：

[1]李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防[M].北京：石油工业出版社，1999.

[2]房舟.钻杆的失效分析[D].西南石油学院，2006.

从失效案例分析轴承的早期失效 第3篇

关键词：轴承,早期失效,影响因素,预防措施

在机电工业中,轴承是应用最为广泛的基础件之一[1]。无论是普通的机械设备、运输工具还是航空、航海、航天等领域。显然,确保轴承在各种环境条件下都能正常工作,是十分重要的。轴承是机械设计中最重要部件之一[2]。广泛的使用使得更轻便、更耐用的轴承目前仍需要引进。而轴承的设计十分复杂,包括制造、保养和维修[3]。轴承在工作中丧失其规定功能,从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承的失效按其寿命可分为正常失效和早期失效两种。轴承的失效分析是提高轴承可靠性系统工程中的重要环节,它的积极意义在于:(1)可以分析出轴承失效的主要原因,总结经验教训,提出改进措施,不断提高轴承产品质量;(2)可以判断设计是否合理,纠正某些不尽合理的方面以提高轴承产品的可靠性;(3)可以发现轴承零件在冷、热加工中存在的问题,纠正不合理的加工工艺;(4)可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的问题[4]。

本工作通过对几起轴承失效案例的分析,从内因和外因两方面对轴承的影响进行了探讨,并提出了预防轴承早期失效的实用措施以及对失效的监测。

1 案例分析

1.1 支点轴承裂纹

发动机工厂试车中发现振动偏大,拆机检验,发现三支点轴承内滚道上有裂纹及掉块。

轴承内圈材料为Cr4Mo4V钢,内圈滚道采用粗磨、细磨、精磨及研磨磨制。粗磨后进行400℃回火,精磨后进行250℃回火,并进行磁粉检测,探伤后研磨内圈滚道。硬度HRC要求为60~64。

轴承内圈由两个轴承半件组成,裂纹集中在主要承力的轴承半件周向15mm弧长内。主要为轴向,也可见一些周向裂纹和掉块,如图1所示。掉块坑底呈“新鲜”的金属光泽,滚道表面未见明显的擦伤痕迹,滚珠和滚道表面未见明显的氧化色。

裂纹断口表面磨损较严重,仍依稀可辨疲劳条带,裂纹起始于滚道表面(图2)。

裂纹区的滚道表面发生了二次淬火,二次淬火层及相邻的高温回火层深度约0.03mm,裂纹主要表现为穿晶扩展,局部可见沿晶扩展,如图3所示。非裂纹区组织正常。

轴承中心区的硬度符合技术要求,但偏上限。裂纹段轴承滚道表面的周向应力和轴向应力均表现为压应力。

失效分析结果表明,轴承裂纹为疲劳裂纹;裂纹最初的形成主要与滚道表面局部的磨削变质层有关。

1.2 燃气发生器后轴承剥落磨损

装配有相同燃气发生器后轴承的同批次三台发动机使用300,495h和403h后,拆卸检查发现轴承滚子分别出现了轻微的划痕、斑点以及剥落。该轴承设计使用寿命为1000h。

轴承的滚子发生剥落的部位均在滚子一侧的端部,只有其中剥落最严重的一个滚子两端和中间均存在剥落痕迹,且在滚子中间均存在一条明显的环向划痕,在较大剥落区可以清晰看到疲劳弧线。轴承外圈一周均存在一些较小的剥落痕迹和一条环向划痕。内圈仅仅存在一定轻微的划痕。损伤较轻轴承的滚子表面未发现剥落痕迹,只是存在轻微的磨痕,外圈未发现剥落痕迹,存在一些磨痕。内圈没发现任何剥落痕迹和明显的划痕。轴承金相组织正常。内、外套圈及滚子的材料硬度均符合技术要求。

将国产新品、进口旧件、剥落轴承内、外圈及滚子进行了检测,进口旧件内圈的圆度误差低于国产新件和故障件,故障件外圈的圆度误差要高于国产新件和进口旧件。

失效分析结果表明,轴承的失效是由滚子工作面的接触疲劳剥落造成的。此次失效与内、外圈的圆度误差以及滚子的倒角等偏差有关。

1.3 某陀螺马达轴承失效

某陀螺在进行例行实验和振动实验过程中,陀螺马达烧毁。该陀螺马达上的两个轴承保持架均开裂,该马达轴承属于微型轴承,轴承的内、外圈和滚珠所用材料均为GCr15轴承钢,保持架为聚酰亚胺材料。

轴承的内、外环滚道和滚珠表面均有不同程度的剥落现象。转子端轴承内环形貌如图4所示,滚珠跑道的区域磨损较严重,在跑道上可见保持架熔化溅射物。转子端轴承的大端面上均有材料中相脱掉而产生的孔坑。

轴承显微组织均为回火马氏体、未熔碳化物和残余奥氏体,轴承碳化物含量较多(图5)。对轴承碳含量检测及硬度检测,碳含量符合要求,但是硬度值偏低。

分析结果表明,轴承未溶碳化物较多影响了轴承的硬度,并在轴承运转过程中,未熔碳化物脱落形成孔坑,使轴承运转不稳。

1.4 主起落架关节轴承内圈开裂

某型飞机使用中主起落架撑杆关节轴承先后4次出现内圈开裂失效。该轴承承受着陆冲击、刹车、滑跑及地面停放载荷。轴承内圈材料9Cr18,轴承外圈材料Cr17Ni2。

对轴承残片的观察表明,除了轴承内圈存在一条裂纹外,未见其他明显损伤,PTFE衬垫完整。图6为轴承断口宏观形貌。裂纹断口平齐,I区和III区的特征基本相同,低倍为纤维状,高倍下为韧窝+碳化物颗粒特征,局部可见沿晶形貌;II区低倍较粗糙,高倍下沿晶特征明显,晶面上可见颗粒状碳化物(图7)。

轴承的组织由回火马氏体、残余奥氏体、块状共晶碳化物和粒状二次碳化物组成。失效轴承共晶碳化物数量相对较多,呈不同程度的链状分布(图8)。点状不变形夹杂物数量多,分布不均匀。

失效轴承各形貌大致相同,经过硬度和成分测试,结果都符合要求。失效分析结果表明,由于较多的共晶碳化物呈带状分布,点状不变形夹杂物数量多,导致轴承材料脆性增大,使用中可能出现的异常冲击载荷共同作用导致轴承开裂。

1.5 某发动机轴承失效

某发动机试车15h后出现喷火及金属末信号器报警现象,停车分解,发现高压压气机叶片、整流叶片及轴承等零件不同程度的损伤。轴承工作方式为轴向止推,径向支撑,保持架材料为硅青铜镀银,滚子和内外滚道均为M50钢。

轴承保持架兜孔上一处位置存在局部断裂现象,裂纹源区位于兜孔与保持架内侧交界的结构一角处,保持架的侧面靠近外圈为红棕色,靠近内圈镀银层多处起泡现象。保持架开裂处兜孔可见较其他兜孔更深的压痕和磨痕形貌。内圈左半环滚道可见严重的磨损形貌,右侧磨损相对较轻。所有滚球外观形貌相似,均为一侧有明显的压痕,与内圈左半环滚道侧边相符合。

保持架裂纹打开,断口放射棱线明显,断口扩展前期较平坦呈灰黑色(图9)。断口可见细密疲劳条带,而瞬断区为韧窝形貌。保持架侧面颜色较深处为熔融形貌和韧窝形貌,该处和源区除了硅青铜基体元素外,还可见M50钢。

轴承外圈、内圈、保持架以及滚球处硬度均低于或处于技术条件要求下限。靠近保持架外侧处有高温烧伤痕迹。

失效分析结果表明,保持架的失效模式为疲劳开裂,轴承整体发生了严重的偏向一侧的磨损,与装配过程有很大的关系,轴承承受了剧烈的高温摩擦。

1.6 发电机轴承失效

某发电机换向器端轴承卡滞。轴承一卡圈变形挤出,密封圈破坏掉出,轴承内干涸。分解轴承可见保持架断裂、变形,滚珠碎裂、黏结,密封圈破损和卡圈变形。在内圈滚道上,坑状剥落,划痕明显。外表面滚道边缘可见坑状挤压损伤,并可见蓝色过热特征(图10)。

保持架断口的整个断面磨损严重,部分滚珠的两端被摩擦成了圆柱形,滚珠上可见剥落坑及碾压痕迹,滚珠破碎断口上可见沿晶脆断特征。

内圈组织为均匀分布的颗粒状碳化物及隐针马氏体。在弧形滚道表面以下约0.4mm范围内的组织主要为过热组织(图11),表明弧形滚道表面经受了较高工作温度。

硬度检测结果表明,内外圈及圆形滚珠的硬度较标准规定的硬度偏低。失效分析结果表明,轴承卡滞的直接原因是滚珠碎断,滚珠碎断与润滑不足有关。

1.7 电动机轴承失效

D80023轴承在进行例行实验的4700个循环后,对电动机构在空载下通电检查,关闭时间超过要求,声音异常,分解检查发现,轴承外圈和紧圈均沿轴向断裂,保持架、防尘圈和钢球脱出,轴承失效。轴承内外圈及滚珠材料为ZGCr15轴承钢,保持架、防尘盖为1Cr18Ni9不锈钢,紧圈为65Mn弹簧钢。

故障轴承外观如图12所示,2件紧圈发生断裂,断裂处掉块长度基本相当,轴承外圈断裂3处,断口处的滚道边缘部位均有球状凹坑,均位于远离镶嵌在外圈内的紧圈一侧。滚珠表面存在撞击凹坑,未见剥落和烧伤等损伤。内防尘圈的变形段长度与轴承外圈、紧圈的断裂段基本相同,变形段变形方向向外,且凹坑痕迹与外圈的断裂段长度也对应。保持架未见断裂情况,整体发生挤压变形。

外圈断裂起源于滚道边缘凸起转角处,源区处为沿晶特征(图13)。未见腐蚀、夹杂和加工缺陷等,两侧的紧圈槽内存在明显的冲击凹坑(图14)。此痕迹系紧圈受到过较大的冲击载荷后在槽内形成的,扩展区为韧窝断裂形貌。其他两个断口与此断口类似。两个紧圈断口特征均为剪切韧窝特征。

金相检查表明,轴承外圈表面存在硬化层,基体组织正常,硬度检测结果符合要求。

失效分析结果表明,轴承外圈是失效的首断件,轴承外圈为过载断裂;较大的冲击载荷是使得轴承外圈发生过载断裂的根本原因。

2 讨论

轴承失效的原因往往是多因素的,所有设计制造以及装配过程的影响因素都会与轴承的失效有关,分析起来不易判断。在一般情况下,大体上可以从内在因素和外来因素两方面考虑和着手分析。

2.1 内在因素

内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量决定轴承质量的三大因素,也可称之为制造质量因素。为了提高轴承的寿命和可靠性,人们围绕着上述三因素,做了大量的研究工作。首先,结构设计不合理就不会有合理的轴承寿命;仅有结构设计的合理性而不考虑先进性也不会有较长轴承寿命;只有结构设计同时具有合理性和先进性,才会有较长的轴承寿命。轴承的制造要经过钢材冶炼、锻造、冲压、热处理、车削、磨削等多种加工工序。各种加工工艺的合理性、先进性和稳定性也都会影响到轴承的寿命和失效分析。尤其是直接影响成品轴承质量的热处理和磨削加工工艺,往往与轴承的失效有着更直接的关系[4,5]。

2.1.1 磨削烧伤

在轴承的机加工过程中容易产生磨削烧伤使表层软化形成二次淬火层,硬而脆,成为滚道表面的薄弱区,较其他位置易萌生表面微裂纹,相应的接触疲劳寿命也会大幅下降。当抗剪强度低于外界最大综合切应力,在反复剪切应力的作用下,从表层产生局部变形而产生裂纹,在进一步的工作中,小裂纹会变成大裂纹,一旦裂纹出现,轴承的承载能力明显下降,裂纹顶端受弯曲应力,随着微小剥落的不断发生,最终形成面积较大的层片状剥落[6,7]。因此,烧伤区形成的软点导致了轴承出现早期疲劳剥落失效。

案例1就是由于局部磨削烧伤引起的疲劳裂纹,其特点是,在剥落区附近有一白亮层,其他区域组织未见异常,白亮层内组织与正常组织有明显差别,回火组织基本消失,且晶粒略有变大,同时,硬度测试结果表明轴承滚道白亮层硬度低于基体的硬度。

2.1.2 尺寸的影响

由于尺寸发生变化,使轴承丧失运转精度,轴承零件的组织(例如残余奥氏体)和应力均处于不稳定状态。由于轴承零件的尺寸与形状不同,膨胀系数或膨胀量不同,在超常温下工作就会造成轴承工作游隙变化,轴承也会因失去运转精度造成早期失效。

2.1.3 未溶碳化物的影响

高碳轴承钢经淬火+低温回火处理后得到的组织为未溶碳化物+针状马氏体+残余奥氏体。影响其表观性能则是未溶碳化物含量、碳化物形态分布、马氏体针的大小以及残余奥氏体含量。对进口轴承和国产轴承组织结构与性能进行对比分析,发现日本与德国轴承钢的未溶碳化物含量较国产轴承钢要低一些,尤其是日本的轴承钢未溶碳化物含量低于德国轴承钢,所以硬度也高[8]。这是因为未溶碳化物含量少,使其马氏体基体中的碳浓度提高,硬度也相应提高。淬火后轴承钢中的少量未溶碳化物可以使轴承保持足够的耐磨性,还能抑制马氏体晶粒长大,获得细晶粒隐晶马氏体,进而提高轴承的强韧性和接触疲劳强度等。除未溶碳化物含量影响轴承性能外,碳化物颗粒大小也严重地影响轴承的使用寿命。

但轴承材料中碳化物较多地未溶入基体,不但会造成该轴承硬度低而且影响轴承的耐磨性能,未溶解的碳化物在轴承运转的过程中脱落形成空坑,造成轴承运转不平稳[7]。如案例2就是由于未溶碳化物多而导致轴承出现早期疲劳剥落失效。

2.1.4 夹杂物的影响

当材料缺陷如气孔、疏松和碳化物积聚等得以控制后,夹杂物将严重影响材料的疲劳性能和强度。在清洁润滑条件下,轴承的疲劳寿命显著提高[5]。有夹杂物存在时,使用寿命明显降低。裂纹首先在夹杂物与基体交界处形成并扩展,导致疲劳剥落。案例4中轴承早期失效就与夹杂物数量多有关。

轴承构件承载区域内的非金属杂质,明显降低接触疲劳断裂抗力。杂质是与基体明显不同的外来物质,非金属杂质通常是由金属元素和氧、氮、硅、碳、磷和硫等所组成的复杂化合物,对疲劳寿命更为有害。锻件中的杂质,通常是与晶粒流变方向相平行的不连续或半连续的带状物。于是,当应力方向与带状物成垂直时,非金属杂质最不利的影响就会显露出来,在周期性或脉动载荷作用下,由于杂质形状、尺寸、硬度以及其分布不同,会局部地使应力增强到一定程度,那么,疲劳裂纹的萌生和扩展,终将会使轴承寿命比预期的要短。将轴承钢中杂质的含量减小到最小值,就能使轴承的使用寿命显著增加[7,8,9,10,11]。

2.2 外来因素

外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。因而也称之为使用因素。安装条件是使用因素中的首要因素之一,轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化,轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护、保养的技术要求,对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪音和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因,进行调整,使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。

2.2.1 装配不当的影响

装配对轴承寿命的影响是至关重要的,装配间隙过大会妨碍传热,增加轴承温度并导致内环和外环的装配面和轴承表面的磨损;装配过紧会使内环或外环上滚珠跑道的整个圆周上出现麻点,并可能使运转时的径向间隙过小甚至消失而使滚珠所承受的载荷变大,并使温度急剧增加。麻点的出现还会使振动增大,引起很大的扭力。装配不正确时,会引起轴承运转失衡[12]。案例5则是由于安装不当,造成轴承载荷分布不均匀,滚动体的载荷发生变形,形成偏载。当轴承发生偏载后,某列滚动体的当量载荷将大于其他列滚动体的当量载荷,出现该列滚动体承载增大,甚至超出承载能力,形成局部过载破碎。偏载不但影响多列滚子轴承各列滚子间的载荷分配不均,而且很容易引起单列滚子发生严重倾斜。造成局部应力集中,使滚动体由滚动变为滑动,从而破坏了滚动条件,导致了轴承的早期失效。

2.2.2 润滑的影响

润滑质量是轴承使用寿命得以保证的最基本要求。轴承运转过程中有多种摩擦,其中内摩擦最严重的部位是转动圈滚道负荷区,轴承存在径向游隙,滚子只在负荷区滚动,非负荷区的滚子处于半滚半滑状态。当滚子一旦进入负荷区自转突然加速,在增速过程中,滚子与滚道的摩擦较强烈。同时在这一区域承受着冲击负荷。在润滑不良的情况下,零件的表面粗糙度逐渐加大,磨损更加严重,单位表面压力增大,同时轴承运转滚动体与滚道、保持架之间、保持架与内外圈之间均存在滑动摩擦。这类滑动摩擦随速度与负荷的增大而增大,从而造成部件之间相对“爬行”。为了减少摩擦与磨损,滚动轴承工作时各元件之间必须有良好的润滑油膜,利用润滑油膜来隔离各元件的接触表面,防止产生金属与金属的直接接触。润滑还能起到冷却作用,带走运转中产生多余的摩擦热[7,13,14,15]。案例6则是由于润滑不足引起的轴承早期失效。润滑不足在非常短的时间内,将造成轴承的超温而使之破坏。当过热的轴承发生破坏时,一般产生严重的振动或机件的卡滞。轴承失效的主要特征为:轴承所有滚珠或滚棒直径减小,表面有熔化的痕迹及过热变色的痕迹。

2.2.3 载荷的影响

如排除轴承本身因素,轴承在工况条件下所承受的载荷仍是影响轴承使用寿命的重要因素。轴承在过载条件下运行,会导致轴承金属材料产生异常磨损和疲劳损坏,造成轴承滚动体局部萌生疲劳裂纹。疲劳是负载表面下剪应力周期性出现所形成的结果,经过一段时间后,这些剪应力便引发微小裂纹,渐渐地延伸至表面,当滚动体经过这些裂纹后,最终出现剥落现象[7,15]。案例7则是由于冲击载荷导致紧圈内有撞击凹坑,说明轴承所承受载荷已超过了跑道材料的弹性极限。撞击凹坑是由过大的载荷或严重的撞击而造成的,撞击凹坑能使轴承的振动增加,严重时使轴承很快疲劳破坏。

2.3 预防轴承失效措施

(1)采用一切可能和有效的手段,尽量提高轴承的寿命和可靠性。包括结构设计的优化、加工工艺的改革、原材料的精选和精炼、高效率高洁度的润滑、精细的装配等。这也是防止轴承早期失效的最根本、最积极主动的途径。

(2)加强轴承产品的质量检测和监督,以确保轴承产品质量指标达到设计要求。在轴承投人运转之前,严格的质量检测和监督也是预防轴承早期失效的积极措施。

(3)加强对轴承工作状态的诊断和预测,及早发现异常,采用预防措施以防止突发性失效事故可能造成的重大损失。

3 结论

(1)轴承故障中有约40%是由于内因导致的轴承早期失效,这其中有40%属磨削加工问题。约60%是属于外因,这其中有50%是装配问题,其他的就是由于润滑以及过载,或使用过程中的一些偶然因素造成了轴承的早期失效。因此,提高轴承的寿命和可靠性,轴承的设计制造、加工过程以及使用过程都是非常重要的,这些方面都必须做到精细。

(2)轴承失效很大一部分原因是出于磨削加工和安装环节,因此,在磨削加工时需通过选择合理的工艺参数,正确选择砂轮、磨削液等措施来防止过烧而引起轴承的早期失效。安装时必须采取有效的措施,将轴承正确地安装于轴上或轴承座圈内,此外轴承必须垂直于轴,紧靠轴肩安装。轴承座圈必须是一个圆,能给整个套圈提供适当的握紧力而不至使其变形。安装后应进行调试与检验,确定安装到位。这样能很大程度上预防轴承的早期失效。

《失效分析与预防》简介 第4篇

《失效分析与预防》创刊于2006年, 系南昌航空大学和中国航空工业集团公司北京航空材料研究院联合主办、中国航空工业集团公司失效分析中心和江西省测试技术与控制工程研究中心共同承办的综合性产品失效分析与预防的科技刊物, 面向国内外公开发行。现为中国科技期刊引证报告 (扩刊版) 、中国期刊网、中国学术期刊 (光盘版) 、“万方数据-中国数字化期刊群”、中文科技期刊数据库 (维普) 全文收录期刊, 中国学术期刊综合评价数据来源期刊。在《2009年中国学术期刊综合引证年度报告》中, 本刊影响因子为0.745。

本刊以反映我国失效分析与预防领域的最新研究成果, 促进国内外学术交流, 为机械、汽车、航空、航天、电力及化工等行业服务为宗旨。主要刊登有关材料损伤、组织与性能演化、断口分析技术、痕迹分析技术、摩擦磨损技术与机理、环境损伤与失效、电子元器件失效、可靠性评估、寿命预测、安全评价、故障再现与仿真、实效与防御控制技术、无损检测技术、典型工程失效案例分析等方面的稿件。文章多为科研一线专家学者的科研成果, 既涉及工程实际案例的综合分析, 又包含有与材料、机械损伤相关的内容, 同时也涉及一些国家高科技项目、自然科学基金及其他基金中有关损伤机理的基础研究以及典型失效分析案例、工程应用案例等。既为国内从事失效分析的科研与技术人员提供了一个交流经验与成果的新平台, 又为从事产品设计的人员提供了重要的借鉴和参考。

典型大型齿轮失效分析 第5篇

某公司生产的第二级齿轮(M20,Z84,材质20CrNi2Mo),锻造后进行正火处理,齿面经920℃渗碳660℃高回820℃淬火低回(200℃、230℃各一次)喷丸精车磨内孔磨齿,要求有效硬化(HV500)层深≥4.0mm,淬火硬度要求HRC 54-58,该齿轮磨齿后在双联齿的左旋齿的部分齿面(相邻的6个齿)发现有磨削裂纹。由于该零件热烘套输出轴后才进行磨齿的,发现仅6个齿面靠近齿根处有磨削裂纹。当初第一时间拖回热处理分厂进行低温回火去除应力,接着采用指状砂轮打磨裂纹,发现裂纹深度近1mm。本着对用户负责的态度,该公司最后决定将该齿轮报废处理。为了查清楚该典型大型齿轮产生磨削裂纹的真正原因,现取样对该齿轮进行失效分析。

1 磨削裂纹的形态及产生原因分析

裂纹的形态为垂直于磨削方向且靠近齿根处,裂纹高度约为2-5mm,如图1所示。

裂纹的数量分布情况(图2),仅有6个左旋齿出现裂纹,有裂纹的左旋齿(从左向右)每个齿上的裂纹数量依次为2-1-4-6-8-5,而右旋齿的所有齿都没有出现磨削裂纹。

此种裂纹属于典型的磨削拉应力裂纹,产生该种拉应力裂纹除了跟磨削深度、进给量、磨削冷却液、砂轮和工作台转速、砂轮目数、砂轮的硬度、砂轮的修整等齿面磨削直接相关的因素有关外,与原材料的化学成分、非金属夹杂物、原材料的预处理状态,以及渗碳质量(渗碳层K的大小/数量/分布/形态、Ar含量、M震的大小/形态、低温回火组织和低回后的硬度、强化喷丸的效果)等综合因素都可能有关。

2 代表性试样的选取及检测分析

2.1 取样及试样编号说明

为了取下与报废的齿轮套装的输出轴,该公司对此报废的齿轮进行了切割,如图3和图4。其中图3所示的半个齿轮其齿面均没有发现磨削裂纹,图4所示的半个齿轮中的空缺部位是线切割取A1齿形样(无磨削裂纹处取样)、B1齿形样(有磨削裂纹处取样)的部位,取样照片如图5。

图6为取下的小试样A1,B1,A1试样的抛光检测面是标识“A1”齿面的右侧面,其抛光面的左侧齿面是工作面,右侧齿面是非工作面;B1试样的抛光检测面是标识“B1”齿面的左侧面,其抛光面的右侧齿面是工作面,左侧齿面是非工作面。

2.2 化学成分分析

齿轮化学成分分析:如表1,结果符合JB/T6395-1992技术要求。

2.3 钢中非金属夹杂物检查(图7～图14)

从齿部取样磨制抛光后,按照GB/T10561-89《钢中非金属夹杂物显微评定方法》标准JK评级图A法评定,A,B,C三类非金属夹杂均为1级,D类夹杂为1.5级。

2.4

对试样A1,B1进行渗碳层组织的检测

2.5 对齿形试样A1,B1的硬度梯度检测

图15为A1,B1齿根试样的硬度梯度比较。

图16为A1,B1齿形试样工作面及非工作面硬度梯度比较。

2.6 渗碳层金相组织和硬度梯度数据分析

a) 硬度梯度数据分析

总体看来,磨削后的该零件工作面和非工作面的硬度梯度均比较平缓,磨削后的齿面硬度均在HRC57-58。硬度虽然符合图样技术要求,但是为了给后续的磨削创造更佳的条件,可以在渗碳淬火工艺过程中,适当降低零件的齿面硬度[1]至HRC54-56。通过此A1, B1齿形试样工作面及非工作面硬度梯度比较和A1,B1齿根试样的硬度梯度比较可以看出:

1) 根据图15可以看出经磨削后A1齿形试样所在的没有出现磨削裂纹区域的工作面和非工作面的硬化层深均约在4.3mm/HV500。据此可以得出在A1试样所处的零件的上端面的涨大量比较均匀,没有出现偏向齿的一侧的不规则变形。

2) 根据图15可以看出经磨削后B1齿形试样所在的出现磨削裂纹区域的工作面和非工作面的硬化层深分别为:4.1mm/HV500、4.5mm/HV500。据此可以得出在B1试样所处的发现磨削裂纹的零件的下端面的局部区域出现较大的偏向工作面一侧的不规则变形。在磨削过程中若不能找到此畸变高点,就会造成局部磨削热过高而产生磨削裂纹[1]。

3) 通过图16可以看出没有出现磨削裂纹和出现磨削裂纹区域的齿根层深基本一致,约为3.2mm/HV500,且齿根硬度大致相同,也表明淬火低回后的强化喷丸效果也是大致相同的,即排除了喷丸效果异同的影响。

b) 渗碳层金相组织分析

1) 从取样A1,B1磨削后的齿面和未经磨削的齿顶的金相组织来看,渗碳淬火后表面的Ar很少,基本上在1级左右;M也很少,基本上在1～2级。

2) 从发现裂纹的打磨凹坑处(靠近齿根,磨削量很少)的金相照片来看,磨削前的M在2～3级,这说明淬火温度的设定还可以再略低一些,可以将淬火温度由820℃降至800℃。

3) 从工作面和非工作面上K的等级差异,并接合齿顶部位K的等级来看,磨削前齿面的K基本上在2～3级。

3 结语

1) 渗碳层硬度梯度分布平缓,磨齿后齿面的硬度和渗碳层深度满足设计要求。

2) 渗碳层组织合格,有磨削裂纹和没有磨削裂纹处齿面的表层组织基本没有差别。

3) 零件经渗碳淬火后,其上下两端面尤其是发现磨削裂纹的左旋齿局部区域可能出现了不规则变形,此不规则变形可能与锻后的正火不充分或者不均匀有关。磨齿工在进行齿面磨削时,没有找到此畸变高点,从而导致在此畸变高点附近的磨削切削量太大,且砂轮在靠近齿根处的线速度最大,切削热得不到及时有效的散去,致使齿根处产生拉应力,出现磨削裂纹。为了更加有效的对该齿轮进行预处理以及给该齿轮渗碳层提供更多的残余压应力[2],建议将渗碳前的预处理由正火处理改成调质处理。

4) 渗碳淬火后的M虽然也符合热处理标准,接合实际齿面硬度为HRC57-58(在技术要求的上限),可以将淬火温度由820℃降至800℃[3],从而将零件的齿面硬度降至技术要求的中限,给后续的磨削创造更佳的条件。

参考文献

[1]王秀芹.如何防止渗碳淬火齿轮磨削裂纹的产生[J].煤矿机械,2005(8):75-76.

[2]王爱香.防止20CrMnMo钢齿轮磨削裂纹热处理工艺研究[J].国外金属热处理,1999(2):31-34.

轴承压块断裂失效分析 第6篇

关键词：轴承压块,断裂,失效分析

轴承压块主要装配在牵引车及自卸车的后桥平衡轴上, 承受整车主要载荷和动力, 如果在车辆行驶过程中发生断裂, 将严重影响车辆及人身安全。委托单位反馈在装配时发现两块轴承压块断裂, 其材料规格为40Cr, 表面氧化处理, 热处理硬度HRC40-50。为分析其断裂失效原因, 对失效零部件进行了断口宏观分析、显微组织检测、化学成分分析、硬度检验、扫描电镜检查与诊断。

1、理化检验

1.1 断口宏观检查

断裂轴承压块的宏观形貌见图1和图2。

断裂轴承压块的实物图件图1, 经对轴承压块实物的仔细观察, 发现断裂轴承压块表面经过了氧化处理, 装配时产生的裂纹贯穿相邻的安装孔, 肉眼可见四条裂纹, 其中一条裂纹完全断裂, 零件平面一侧螺栓安装孔周边可见明显的环状螺栓安装痕迹。断口局部宏观形貌见图2, 图中可见, 断面上靠近零件凹面一侧螺栓安装孔壁处存在一深色的先期断裂面, 先期断裂面近似呈三角形, 径向深度及轴向深度基本在3-4mm之间, 其余断口新鲜、平齐, 其上可见纵向条痕。

1.2 化学成分

为确定轴承压块的化学成分是否合格, 从轴承压块近断口处截取试块, 经三棱落地砂轮机打磨, 运用ARL3460型金属分析仪对试块进行化学成分分析, 结果符合GB/T3077-致1999标准要求, 各元素检测结果 (质量分数, %) 见下表。

1.3 硬度检验

为确定轴承压块的硬度是否合格, 从轴承压块上截取试块, 经三棱落地砂轮机打磨, 不同细度的砂纸打磨, 运用TH320洛氏硬度计进行硬度测试, 结果为:49.0HRC, 49.2HRC, 48.8 HRC, 平均值为49.0HRC, 符合技术要求HRC40-50, 但接近上限。

1.4 金相组织分析

在零件断面深色区域 (先期断裂面) 的横截面上截取金相试样, 试样经抛光腐蚀后在Olympus GX51F型光学显微镜下进行观察, 其先期断裂面处金相微观形貌见图3, 图中可见先期断裂面 (裂纹) 有明显的晶界显微裂纹, 判断此先期裂纹为淬火裂纹。该区域显微组织为中等粗细的、均匀的回火屈氏体, 见图4。在零件断裂面中部进行检查, 其显微组织为回火马氏体+少量铁素体+微量贝氏体, 且铁素体呈带状聚集分布, 零件表面存在轻微的脱碳现象。见图5所示[1]。

1.5 断口微观形貌分析

将轴承压块断口超声清洗后置于SEM6610电子扫描电镜下观察, 从图6可以看出断口表面存在很多铸造缺陷, 铸造缺陷尤其是在断裂起源区 (螺栓安装孔处) 集中如图7所示, 从断口微观形貌可以看出:断裂以沿晶断裂和准解理脆性断裂形态为主, 有出现少量穿晶裂纹。这表明轴承压块基体韧塑性较差, 这一方面使材料抗冲击能力差。另一方面也使材料对表面应力集中结构更加敏感。因此在装配应力下裂纹以脆性方式开裂[2]。

2、断裂原因分析

通过以上理化分析结果可知, 该轴承压块的化学成分、金相组织和硬度均符合国家标准技术要求, 但是硬度值偏高, 接近上限。

通过对断口的宏观检查和扫描电镜微观诊断分析可判断, 40Cr轴承压块断裂为热处理工艺不当, 即轴承压块在表面淬火后没有进行低温回火或自回火不够充分, 导致材料形成淬火裂纹, 当在轴承压块的螺栓孔安装螺栓时受到较大的应力和冲击作用下, 淬火裂纹在冲击应力条件下发生扩展;同时表面硬度较高, 塑性变形困难, 不能缓和因冲击产生的应力, 应力无法释放, 最终在裂纹处开始扩展, 直至轴承压块发生断裂[3~4]。

3、结论

1) 轴承压块是装配应力作用下, 在螺栓安装孔淬火裂纹处起裂并扩展形成的快速脆性断裂。

2) 材料热处理强度偏低偏脆, 存在先期淬火裂纹是导致轴承压块发生快速脆性断裂的原因[5]。

3) 建议更改热处理工艺, 提高材料强度和韧性, 同时在装配方面严格按照工艺文件操作。

参考文献

[1]刘艳琳, 梅华生, 彭颋.减震器托架断裂失效分析[J].精密成形工程, 2014, 6 (4) :69-73.

[2]胡春燕, 刘新灵, 陈星.高强度钢螺栓断裂失效分析[J], 金属热处理, 2012, 37 (9) :125-127.

[3]渠清团.40Cr钢内齿轮齿圈断裂失效分析[J], 机械与自动化, 2013, 08:115-116.

[4]董红磊, 陈玉忠, 肖凌云等.汽车变速箱吊耳断裂失效分析[J], 金属热处理, 2015, 40 (增刊) :94-97.

骨科植入物失效分析 第7篇

关键词：骨科植入物,失效分析

随着社会进步、经济发展和人民生活水平的日益提高,人类对自身的医疗康复事业越来越重视。与此同时,社会人口老龄化,交通工具大量涌现,生活节奏加快,自然灾害、工伤事故的频繁发生和局部战争等,导致因各种原因引起的骨组织损伤数量剧增,其中相当一部分骨伤患者需要进行不同程度的早期救治或晚期修复,骨科植入物的市场需求非常巨大[1]。

骨科植入物按照其应用领域分为人工关节(主要有髋关节、膝关节、肩关节、腕关节、指(趾)关节等)、创伤类内固定(包括各种骨钉、骨针和接骨板等)、脊柱(包括各种内固定器、椎间融合器、人工椎间盘、人工椎体等)和骨修复材料四大类[2,3]。各类骨科植入物在临床上的广泛应用,为骨科疾病提供了很好的治疗作用。与此同时,植入骨科植入物后引起的临床并发症以及植入失效有逐年增多的趋势[4],给患者带来极大痛苦,还经常引发医患纠纷[5,6]。引起骨科植入物失效的因素很多,本文分析了临床常见的骨科植入物失效的原因,并对如何规避此类事件的发生进行了初步探讨。

1 骨科植入物失效原因分析

许多医疗机构和研究单位都有关于各类骨科植入物失效的分析报告[7,8,9]。通过对上海几家大医院的调查,引起植入物失效的主要原因可归纳为植入物本身质量、医源性和患源性三个方面,而对于在骨折愈合过程中起到临时稳定和支持作用的内固定植入物而言,随着骨损伤的慢慢愈合,内固定物所受应力环境发生变化,其失效原因还与周围环境、意外超负荷受到外力等有关。从植入物的失效状态来看,主要有断裂、过敏、无菌炎症、不愈合、疼痛、弯曲、松脱、感染、排斥反应等[10]。综合来看,骨科植入物失效基本可包括以下原因。

1.1 植入物的内在质量因素

临床最常应用的骨折内固定物材料是医用不锈钢和钛合金,其对人体有较好的生物相容性,但产品设计或材料本身的内在因素(金属结构、晶间结构、点腐蚀、微电池作用等),均可能影响内固定物的物理性能,发生弯曲或折断[11]。据国内有关资料统计,国内常见内固定器材质量抽样合格率仅为78.6%。

对于内固定物,断裂有两种情况:一是当一个内固定物连接一处较长的缺损,受到冲击性载荷或者长期的疲劳交变载荷引起的“疲劳”,所产生的应力最终会达到强度极限而致内固定物断裂。二是在骨折高负荷区域。当骨折面吸收使间隙加宽时,内固定的应变最终达到了临界极限导致内固定断裂。有效负荷一定时,钢板的断裂则取决于钢板的厚度和间隙的宽度。一块较厚的钢板在较小的弯曲角度会断裂,这是由于在同样弯曲角度上,较厚的钢板承受着较高的应变[12]。

段佳忠等[13]报道了因四肢骨折内固定材料松动、折弯、断裂患者27例中,有4例为自动加压钢板及鹅头钉板断裂,经标准计量局会同生产厂家质检科检验,确认产品存在质量问题。在制作内固定物的过程中,没有按钢材纹理平行的方向切割,而是与钢板纹理垂直的方向切割而成的内固定物就极易发生金属疲劳断裂。而鹅头钉尾钉脱落的原因,一方面是尾钉拧入较浅,另一方面则是尾钉设计有缺陷造成的。

在一例典型的病人体内放置踝支持接骨板半年后断裂失效事件中[14],通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱仪(EDS)分析了接骨板端口情况,发现端口附件有疲劳辉纹存在,而纵深及内圆弧端口处除了有摩擦磨损标记外,也发现有疲劳辉纹;在接骨板外圆弧表面端口附件发现有显微缺陷,EDS分析缺陷中有较高Mn、S含量,由此推断接骨板断口呈疲劳断裂特征,并存在一处以上的疲劳源。患者运动过程中在疲劳源附近产生疲劳辉纹。一旦疲劳裂纹在接骨板表面形成,便会沿着滑移带的主滑移面向内部扩展,并且在各个阶段表现出不同的端口形貌特征。该例病人内固定失效属接骨板的疲劳断裂,确切地说是由于钢板表面质量问题以及结构设计不合理,与关节面骨骼外形不匹配,并且表面有尖角而引起的。

对于人工关节而言,假体松动是造成关节置换术失败,影响手术中远期效果,导致假体翻修的主要因素的主要原因[15,16]。人工膝关节置换术后,因聚乙烯磨损所致失败的膝关节翻修率则高达9%～10%,超过因感染而行膝关节翻修术的数量(1%)。人工关节后期松动除了机械性松动,如假体与骨界面间的密贴欠佳、假体安装位置不良、骨水泥碎裂等力学原因外,主要与假体长期磨损或离解产生的颗粒所诱导的生物学反应有关。生物学反应过程包括:①磨损颗粒的产生。②假体-骨界面间异物反应膜的形成。③骨溶解,导致假体的骨性支持结构力学性能下降。骨溶解不仅致假体松动,还可引起骨折,同时为翻修术带来困难。由此可见,抑制免疫反应和产生磨损微粒较少的生物材料是预防假体松动的两个方面。骨溶解在骨水泥固定和非骨水泥固定的假体中都可以发生,但临床上显示骨水泥可以起到封闭作用,通过阻挡微粒在假体-骨界面之间的迁移使得骨水泥固定假体的周围的骨溶解的发生率较非骨水泥病例低。

1.2 医源性因素

医源性因素可归结为以下方面:适应症的选择不当、伤口感染、植入材料选择不当、术中操作失误、骨缺损;体液电解腐蚀、术后管理不善等。

1.2.1 适应症选择不当

在医源性因素中,首先要考虑到患者的适应症。临床上由于机体受到严重创伤,全身代谢机能低下,或者全身性消耗、骨折局部血供差,或者术后不能配合、不能有效保护等不利于骨折愈合因素的影响,出现骨折愈合延迟和不愈合。内固定物在体内过度承受应力负荷,导致内固定物断裂的情况并不少见。例如,文献[17]报道有2例老年胫腓骨中下段粉碎性骨折,首次在外院行钢板固定断裂,改交锁钉固定再次断裂的情况。因此,对于全身情况差,合并代谢性消耗性疾病、老年骨质疏松、局部血供差的严重粉碎性骨折,术后不能配合有效制动的患者不宜采用手术内固定,外固定或传统的牵引治疗仍不失为较好的治疗措施。

对于膝关节置换而言,主要适用于膝关节有严重病变,或伴有反复发作的关节疼痛、肿胀、畸形和关节不稳,严重影响日常生活,经保守治疗无效或效果不明显的病例。近年来手术年龄也呈现年轻化趋势,由于这部分患者活动频率很高,使假体经常处于高应力之下,故年龄低于55岁患者,也可以选择其他手术方式治疗,如截骨矫形术和单髁置换术[18]。

1.2.2 植入物的选择

植入物种类、规格、型号、材质多种多样。仅就内固定而言,钢板固定方便易行,但固定偏离中轴线、需要剥离较多的骨膜;髓内钉固定是中轴性固定,但对骨髓血供破坏较重。普通钢板容易塑形,但强度差;加压钢板强度大,但存在应力遮挡效应。钢板与骨形状不一致、髓内固定物型号过小、螺钉固定不紧、或者螺钉固定时拧入骨折线上加大骨折间隙,使内固定物不能与骨形成良好的内固定物一骨质整体、应力分布不匀,都会造成应力集中,容易引起内固定物的疲劳断裂。钻头、攻丝与螺钉不配套,钻孔较小,螺丝钉强行拧入,也会使得强度下降,受力后容易折断。

骨折内固定的目的在于解剖复位、牢固固定和早期功能锻炼。内固定物过长势必加大手术创伤,过短则难以牢固固定稳定承载。临床应根据骨折的具体情况,选择合适的种类、规格、型号和材质,要有足够的强度、长度、能达到与骨折端形成稳定一体的内固定物[19]。临床上经常发现因内固定材料长度不够,或没有固定配套螺钉,或髓内针的外径过分小于髓腔,导致内固定材料在骨折部位的强度与抗弯、抗扭能力较差,骨折未获牢固固定[20]。长管状骨固定钢板长度至少应为骨折端骨干直径的5倍以上,特别对粉碎型骨折更应该提高钢板的有效长度。螺钉的长度要适宜,过长过短均影响其固定作用,其长度应超出对侧骨皮质1～2螺纹,螺钉固定方向应与骨干垂直,禁止植入骨折间隙内。钉孔过小,螺钉强行旋入会导致变形或断裂,钉孔过大,易使螺钉松动或退出。另外,电钻速度过快致骨孔烧伤,手摇钻轴心不稳致骨孔大小不均。螺钉过长而剪断致骨孔周围细微骨折处降低其把持力,直接影响固定作用。髓内固定的交锁钉、梅花钉、“V”形钉、矩形钉等,其长度应超过骨折线远端8～10cm以上,直径粗细应与骨折部位髓腔适配,尤其是当骨折近端除有肌力作用外、还有肢体重力因素时,更应当遵循此原则。骨折线两端应至少有8个皮质孔,离开骨折线远近端各需有3～4枚以上的螺钉,钻头应与螺钉适配,使钢板与螺钉有足够把持力。临床上由于髓内针直径明显小于股骨干髓腔的直径而发生髓内针断裂的病例并不少见,这说明由于选材不当,手术复位虽然满意,但内固定并不坚强,最终导致内固定失败[13]。

同一部位内固定物各组件应为同厂家、同批号、同材质的产品。由于不同金属之间产生电位差,会引起金属的电解性腐蚀,因此应避免不同材质的内固定材料联合应用[21]。文献[22]曾报道过2例因钢板螺钉不匹配,材料规格性能不同,出现电解反应,导致骨折端出现畸形,切口周围红肿,有渗出物,螺钉松动退出。河南省汝阳县人民医院骨科统计中发现[17],3例胫骨粉碎骨折内固定断裂均为使用第一代普通接骨板断裂。某医院骨科60例四肢长管骨骨不连中因选用内固定器械不当或操作失误占81.6%[23],可见内固定器械的选择与断钉的密切关系。

这些植入物的失效与内固定物种类、强度、材质、长度、型号及不同金属联合应用等选择不合理有一定关系。在股骨干骨折交锁髓内钉固定中比较常见的是:(1)髓内钉过细:髓内钉的抗弯强度取决于其截面的形状和直径,直径越大越坚固。交锁钉直径减小1-3mm,强度可降低30%-50%,断钉检测中发现皆是直径9-11 mm交锁钉,且没发现断钉孔处内锁钉有明显的缺口或制作上的不足。(2)髓内钉选择太短:尽管Johnson等在生物力学实验中证实交锁钉在转子下缺损的情况下能承受的纵向负荷为人体质量的3.5-4.0倍,但是由于疲劳负荷仍然存在交锁钉的断裂。骨折端是弯曲负荷的中心点,钉孔离骨折端越近,所受应力也越大。对于股骨远端骨折,第一个钉孔较第二个钉孔离骨折端更近,因而承受的弯曲负荷更大。文献[23]报道的6例断钉,其中5例发生在骨折端横锁第一个螺孔处,如果距骨折端最近的锁孔没有锁钉时此处更易折断。因此,应特别强调选用交锁钉足够长,建议远端第一枚螺钉离骨折端不少于5 cm;禁止横锁螺钉位于骨折处,避免骨折线附近遗留空螺孔,同时应采用两枚横锁螺钉。河南省汝阳县人民医院骨科有过采用交锁钉固定股骨下段骨髓腔扩大部分粉碎性骨折时,由于骨折端与主钉不能稳定嵌合、锁钉在干骺端也不能稳定固定,最后导致锁钉断裂的病例[13]。

1.2.3 医生手术技术

1.2.3. 1 骨水泥填充技术

因手术操作技术引起的关节植入失效,主要集中在骨水泥型全髋关节置换术中。早期由于骨水泥技术落后,患者股骨髓腔内的骨水泥填充不均匀,主要集中在髓腔上部,而髋臼侧的骨水泥也固定不良,因而过早出现松动现象。同时由于聚乙烯碎屑沿骨水泥周围扩散,引起广泛的假膜反应以及大量骨质溶解吸收。此时必须进行翻修。

翻修手术时必须将含有聚乙烯碎屑假膜组织全部清除,以免进一步产生骨质溶解吸收。临床研究发现,大部分患者在取出原假体后,其髓腔内几乎无骨小梁残留,只剩下光滑的皮质骨部分。在此情况下,使用骨水泥假体肯定会对手术效果有影响,尤其是目前在国内的经销商多数还不能提供完好的第3代骨水泥技术,这将可能进一步影响手术远期效果。况且单纯使用骨水泥填充髓腔的缺损,虽然股骨假体的初始稳定得到了保证,但由于骨水泥过厚,疲劳强度降低,必然影响假体的使用寿命。采用非骨水泥假体柄进行翻修,一方面可以使得将来可能的翻修手术比较容易,另一方面,手术中也可以对缺损的部分进行植骨,术后骨改建的过程可以进一步恢复股骨上段原有结构强度。

非骨水泥假体柄进行翻修的另一问题是如何获得初始的稳定。由于髓腔内的大量骨质丢失,使得非骨水泥假体柄不能较好地填充骨髓腔,尤其是骨溶解较多的患者。即使是进行植骨也较难获得早期的稳定。解决这一问题比较好的办法可能是使用无级递增型假体柄[24]。它能很好地控制假体在髓腔内的不稳定,结合假体周围植骨及捆绑带固定劈开的股骨,确保假体上下段均能与股骨之间紧密压配。同时也可将植骨与骨水泥型假体结合使用,在髓腔内注入骨水泥之前先将移植骨颗粒于髓腔内周围充实,可获得很好结果。

1.2.3. 2 骨膜剥离过多

由于骨折部损伤严重或者为了便于复位,骨膜剥离过于广泛,破坏了骨折端的血液循环,骨折愈合能力降低,出现骨萎缩、吸收、延迟愈合或不愈合,内固定物长时间受力,导致断裂。文献[20]报道的15例内固定物断裂或失效临床病例中,有3例复位良好,内固定选择正确,却因延迟愈合而出现内固定物疲劳断裂。3例均为粉碎骨折,手术时间较长,有2例加用钢丝环形固定蝶形骨片,进一步破坏骨折端的血运。

近年来,生物学接骨术(BO)新观念重点强调的是微创、充分保护骨折处的血供,不再强调解剖复位、坚强固定。临床实践证明,骨折局部的稳定性和血供是影响骨折愈合的重要因素。保护骨膜即保护了骨的滋养动脉和骨膜至骨的分支血管,所以,手术中在不影响骨折复位的同时,应尽量减少骨膜剥离,以保护骨的愈合能力,减少内固定物的受力负荷。

1.2.3. 3 复位不良

不管何种内固定物,如果骨折端存在骨缺损或复位不佳,内固定物就要超负荷地承受来自周围组织和外界的各种应力的作用,骨折远近端所承受的一切应力只能由内固定物去遮挡,这样就会明显增加内固定失效的危险性。骨折复位不良,尤其是压力侧,即使是小的粉碎骨片无法固定形成缺损,骨折端骨缺损>2 mm以上,或者骨皮质错位超过皮质厚度,骨折两端皮质骨不能接触支撑应力,轴向应力将全部作用于内固定物上,在骨折处发生应力集中现象,内固定物容易发生疲劳断裂。魏庆宏等报道[25],对切开复位钢板内固定治疗股骨干骨折失效的总共28例病例中,16例患者手术后骨折端有超过2 mm的间隙或骨折端有缺损,不仅早期不稳定,而且为愈合带来影响,滑折愈合慢,增加了钢板失效的可能性。若骨折内侧有缺损,内侧支持作用减弱,钢板承重加大,更易发生钢板失效。

1.2.3. 4 违背张力带原则

张力带原则是骨折治疗中的基本原则,钢板能耐受张应力的作用,骨能耐受压应力,钢板应固定在骨的张力带,髓内针的开口背向张力侧。当负荷增加时,钢板在张力下的预应力将引起骨在轴向加压,造成骨折端的压力增加并均匀分布。如钢板置于压力侧,负荷下抵抗畸形的是钢板的刚度。在股骨部位,钢板必须放在张力侧,即外侧偏后,置于前侧则螺钉受到的张力极大,极易断钉;胫骨虽然张力侧在内侧,但前内侧胫骨表面仅有皮肤和菲薄的皮下组织,因此实际操作时常将钢板安放在外侧。因认识不足、手术技术与技巧不熟练、或在特殊情况下因为原发开放伤的影响,个别病例钢板未放置在张力侧,导致张力侧分离、成角,引起钢板弹性疲劳断裂也有报道[26]。

1.2.3. 5 术中内固定物塑形

内固定物和骨折处形状不吻合,术中常对内固定物塑形,有可能破坏内固定物表面光洁度,形成微电池而引起电解腐蚀作用,临时折弯将破坏钢材内部结构,形成应力微电池,在钢材内部起电解腐蚀作用。断裂钢板取出后观察,河南省汝阳县人民医院骨科因钢板塑形后新鲜和陈旧断面并存而造成失效的报道[17]。对内固定物的塑形预弯要逐渐进行,不应反复暴力折弯,以免破坏内固定物表面及材料内部结构,降低其弹性模量和刚度,更不能将用过的内固定物重复使用。

1.2.3. 6 植骨

钢板螺钉断裂,在粉碎性骨折中最为常见。因为粉碎性骨折复位困难,常存在骨缺损和复位不良,软组织损伤亦较重,骨折处血液循环遭到破坏,骨折愈合能力较差,单纯增加内固定的强度并不能代替骨结构重建。钢板一般置于骨的张力侧,对侧如有骨缺损时,一旦承受负荷,支点会越来越靠近钢板甚至进入钢板。内固定材料承受周期性负荷则会发生疲劳断裂。因此当有骨缺损、粉碎骨折、断端失活等因素存在时,内固定同时应行使自体松质骨植骨,使它日后逐渐形成骨桥,与钢板对应,能承受压力,起第二钢板的作用。一期充分的植骨可以填充骨缺损,通过爬行替代和诱导成骨作用,促进骨折早期愈合,对肢体活动都有利,骨结构的完整性得到恢复,内固定物承受的应力减小。脊柱压缩骨折可通过患椎椎弓根颗粒状植骨,填充缺损间隙,促进骨2生成,提高骨愈合能力,避免内固定物长期承受很大应力作用发生断裂。程景春等[20]报道的钢板断裂病例中,患者均为粉碎骨折,仅2例行异体骨植骨,植骨率仅为13.3%。

在争取骨折良好复位的同时,应对具有潜在不稳定因素的骨折,应放宽植骨适应症。现在常见的许多高能量损伤所致的骨缺损,尤其是钢板对侧、后侧的骨缺损,脊柱严重压缩骨折撑开后,髓内固定物一侧或双侧有较大缺损的情况,存在不稳定因素。未给予一期植骨的患者与同期一期植骨者相比,钢板螺钉断裂、不愈合或延迟愈合的发生率较高。因此,在开放性骨折或需切开处理的骨折,骨折局部血循环有不同程度的破坏,手术时常规植骨是必要的;对粉碎性骨折区的压应力侧一期植骨极为重要,更应足量植骨;对骨不愈并有硬化骨出现的病例,应处理骨折端后足量植骨以利骨折愈合。

1.2.4 术后管理

功能锻炼应贯穿于骨折治疗的全过程,只是不同阶段侧重点不同。但目前由于普遍缺乏专门康复机构,患者对术后各个阶段如何进行功能锻炼不了解或掌握不当。主要体现在:(1)无外固定保护或固定时间短;(2)术后加用外固定,但相应的康复指导不到位,未及时指导早期肌肉舒缩锻炼,使锻炼过迟,骨骼肌肉复合体缺少机械刺激,导致“骨折病”、骨质疏松,影响螺钉固定。关节粘连,锻炼时应力过大,都会造成内固定松动断裂;(3)未及时取出内固定物。内固定术后早期,外来应力主要由内固定物承担,适当的外固定保护能减少内固定物负荷,可以石膏固定、维持牵引、应用支具等。及时复查,根据具体情况给患者进行康复指导,使患者懂得锻炼的意义、时机和方法,特别是出院后,能适时正确进行康复功能锻炼,适应性逐渐增加活动力量,避免内固定物过度受力或者接受暴力。一般术后1～2年,骨折达到骨性愈合,原则上要及时取出内固定物,防止因应力遮挡作用出现骨质疏松,内固定物长期接受化学腐蚀和应力作用,发生断裂。程景春等20]报道1例下胫腓关节螺钉术后2个月未及时取出,下地活动后发生断裂。河南省汝阳县人民医院骨科22例内固定失效病例中,6例术后未进行外固定保护,7例未遵医嘱过早去除外固定,20例有不正确活动过程,3例曾出现跌倒,1例术后9年股骨钢板未取出[17]。

1.3 患者因素

主要表现为:(1)医嘱性差,如部分糖尿病患者,身体条件差,过高要求复位外观,激进性要求手术治疗;②过分依赖内固定物,提前活动和负重,用力过大;骨折端未形成骨性连接,应力完全由内固定物承受。只有骨断端间形成连续外骨痂时,肢体才能逐步恢复负重活动;③复诊复查不及时,缺乏指导,锻炼方法不正确;④意外暴力损伤,如对于某些精神病患者,缺乏自控能力,家属照顾不周,导致意外发生;⑤自行拆除外固定石膏、支架或不及时配合去除内固定物;⑥术后恢复期受非预期外力作用如外力撞击、摔倒等,使植入物受到意外冲击而形成剪力作用,致植入物内固定失效。

1.4 其他因素

除了以上典型因素外,还有一些综合因素会导致骨科植入物失效的发生。

1.4.1 原发性创伤与生物力学受力状况

由于原发组织损伤严重,影响局部骨组织血液循环,导致骨愈合能力的降低;手术创伤、骨膜剥离或者扩髓,进一步加重损伤,破坏骨折端血运;骨折端骨缺损或部分骨组织的吸收,使得局部稳定性降低;骨折块游离、靠爬行替代修复,愈合过程较长。这些因素容易造成骨折延迟愈合或不愈合,尤其是胫骨中下1/3骨折更容易出现,导致内固定物长时间接受应力作用,引起弹性疲劳断裂[13]。

以河南省汝阳县人民医院骨科统计为例[l7],该院在10年中共进行各种骨折内固定手术173.1例,其中有22例发生内固定物断裂,均系高能量损伤所致。19例存在骨折延迟愈合或不愈合情况,内固定物受力时间较长,支持内固定物金属疲劳断裂,3例在术后4～6周内因跌倒受到强大冲击力作用引起内固定物断裂。内固定物断裂全部发生在负载较大的四肢大骨或脊柱部位,均为钢板螺丝钉、髓内钉和脊柱椎弓根系统固定器材,而手足部及骨端固定则未见断裂现象发生,说明内固定物断裂与应力载荷关系密切。四肢大骨和脊柱较大的肌肉收缩力、重力和外力所造成的剪应力作用是导致内固定物断裂的主要因素。特别是股骨中上段偏离下肢负重力线,骨折端和内固定物承受的应力更大。所以,对于创伤严重又需要内固定的骨折,应根据其生物力学情况估计骨折愈合时间长、内固定物承载较大者,适当采用外固定保护制动,或者牵引维持。

1.4.2 感染及骨质疏松等并发症的影响

发生术后感染往往直接导致置换手术的失败,因此预防感染显得极为重要。导致全膝关节置换后感染的危险因素有:有膝关节手术史、手术时间超过2.5h、联合发病、免疫受损、营养不良、高钾血症、糖尿病、肥胖和吸烟等。围手术期的下尿道感染也提高了术后感染的危险。应注意科学应用抗生素,加强术前护理及手术室严格消毒,做好围手术期的护理,对防止感染的发生,保证患者的康复。

因内固定物的存在,骨折端一旦发生感染,很难彻底控制,感染又影响骨折的愈合。高书图等报道[27]股骨骨折内固定失效一组268例,存在感染27例,感染是造成骨不连的重要因素。一旦发生骨不连,内固定物将长期接受感染性化学腐蚀和应力作用,最终发生断裂。防止感染要从手术的每一个环节做起,发生感染后应尽早采取扩创、引流、闭式冲洗、应用抗菌素等措施控制感染,将患肢制动,防止内固定物受力。

骨质疏松使得单位体积的骨量减少而且骨的强度降低,不但会使螺钉的把持力减低造成拔钉,亦容易造成螺钉切割。老年骨质疏松指数高,这在老年股骨粗隆间骨折最为常见,常常合并多种内科疾病和骨质疏松症。王亦璁[28]用X线测量骨小梁形态来衡量骨的机械强度对内固定选择具有实际意义。骨的机械强度在4级以上者,内固定的成功率为80%,3级以下成功率大大降低。患者骨机械强度的高低对内固定的成功有着极为密切的关系[29]。因此,无论骨折内固定物如何坚固,手术技术如何精良,如果患者骨的机械强度差,就不会取得良好的效果。所以对治疗方法及内固定物的选择需要认真考虑患者的骨机械强度。

2 对策及预防措施

综上所述,骨科植入物失效产生的原因既有产品的固有风险,也有医疗器械性能、功能故障或损害,还有治疗方法、术后管理等医源性因素及患者自身的原因,并且经常是多方面因素并存,多种因素共同作用造成失效的结果。因此,笔者建议从源头上生产商应加强骨科植入物的研发和生产管理,不断提高产品质量;从临床上提高医护工作者的技术水平,减少医源性失误;从术后管理上,确实做到让患者知情、知理,做好康复工作。

2.1 加强骨科植入物生产企业的管理

2.1.1加强对器械生产企业的日常监督,积极稳妥的实施医疗器械GMP,严格执行《医疗器械生产质量管理规范》,加强生产过程质量控制和质量体系考核,确保产品质量。

2.1.2鼓励国内企业积极开展产品的研究和开发,积极开发针对中国市场以及亚裔人种的产品,从“以仿为主”到“仿创结合”,对原有产品在原材料、生产加工、制作工艺等环节有针对性进行改进,不断完善产品结构,优化产品性能,提高产品质量。

2.2 加强标准化建设

2.2.1健全骨科植入物技术支持体系,形成完整的标准体系。学习和借鉴先进国家的标准化管理经验和模式,尽快实现与国际标准接轨,用标准来完善技术规范、依法行政,提升骨科植入物行业素质。

2.2.2引导企业参与国内外标准化活动,加强与国内外先进技术的交流,掌握最新动态和发展趋势,提高自身的管理和技术能力。

2.2.3严格产品使用说明书审批管理。规定和标明适应症、使用和操作禁忌、注意事项等,从源头上做好器械的临床使用指导,防止非适当使用或安装操作失当。

2.3 加强对骨科植入物经营企业及医疗机构的监督管理

2.3.1加强器械经营企业及医疗机构器械采购、管理人员的培训。组织学习医疗器械监管相关法律、法规和专业知识,提高从业人员素质。

2.3.2建立并严格执行器械采购、质量验收、出入库复核等管理制度,对骨科植入物内固定材料确定专人管理,专柜、专库存放,使植入物有溯源性。

2.4 加强对医护工作者规范化培训,提高术后管理水平

2.4.1医疗机构要加强合理用械的技术培训和指导,加强医德医风教育。对骨科医师专业规范化训练,有针对性的组织开展合理用械技术、学术交流活动。加强专业理论知识学习,提高治疗水平。

2.4.2根据具体情况给患者进行康复指导,使患者懂得康复的意义、时机和方法,特别是出院后,能适时正确进行康复功能锻炼,适应性逐渐增加活动力量,避免内固定物过度受力或者接受暴力。

2.4.3失效案例收集和分析。应加强对失效案例的收集和整理工作,并采取积极的措施,对典型案例进行分析,找出原因,以引导生产商设计、医生正确使用、患者合理康复。

2.5 引入国外先进国家的医疗保险机制

汽车缸体断裂失效分析 第8篇

失效断裂原因较复杂, 与金相组织、性能、断裂腐蚀产物及结构设计等许多因素有关。某汽车厂生产的汽车在长期的运行中, 发现缸体底部存在裂纹, 裂纹贯穿固定螺栓孔并沿缸体薄壁扩展, 如图1所示。缸体为整铸结构, 材料为灰铸铁FCA101S, 力学性能要求抗拉强度不低于274MPa, 硬度要求为190~269HB。为找到缸体断裂原因, 从缸体受力状态、断口形貌、金相组织、化学成分及硬度等方面进行全面分析。

2缸体受力分析

对缸体进行受力仿真分析, 缸体把合螺栓根部薄壁区为应力集中区, 经计算该处最大受拉强度为366MPa, 超过FCA101S的抗拉极限。

3断口分析

3.1宏观断口分析。对从缸体主断口试样进行超声波清洗, 除去表面的油污, 用显微镜对其断口宏观形貌进行观察。断口较平齐, 无宏观塑性变形, 断口表面呈灰黑色, 局部有金属光泽, 部分区域发生锈蚀, 形貌为典型脆性断口, 断口分为三个区域, 裂纹源区、裂纹扩展区以及瞬断区, 根据断口表面状态及应力分析结果判断裂纹源区位于螺栓孔外壁表面应力集中处, 如图2a) 所示, 螺栓孔壁上可观察到发散的条状纤维, 裂纹扩展区较粗糙, 裂纹扩展区与瞬断区界限不明显 (图2b) ) , 瞬断区可观察到二次裂纹。

3.2微观断口分析。为进一步分析断裂原因, 采用S-3700扫描电子显微镜观察断口微观形貌。裂纹萌生于螺栓孔外壁不连续的夹杂物处, 在夹杂物与基体的结合面处开裂, 见图3, 对夹杂物做能谱分析, 结果见表1, 夹杂物为C、O、Si、Fe为主要元素组成的化合物。图4为裂纹扩展区的微观组织形貌, 可以看到菊花状断口特征, 解离台阶较明显, 同时晶界处存在撕裂痕迹, 部分区域可观察到显微孔洞。瞬断区呈现沿晶解离断裂, 有过烧迹象, 可观察到球状物、显微孔洞和晶间裂纹, 见图5。

4化学成分、金相及硬度检验

4.1化学成分检验。对缸体材料进行化学成分测试, 检验结果见表2, 符合技术要求。

4.2金相检验。对缸体材料进行金相检验, 检验结果为石墨长度5级, 石墨类型为A型, B、D型石墨小于20%, 游离铁素体及游离渗碳体均小于3%, 符合技术要求。

4.3硬度测试。缸体材料硬度测试结果:距顶面1~2mm截面处的硬度为216HB, 距顶面33~43mm截面处的硬度为204HB, 符合技术要求。

5结论及断裂原因分析

综合以上分析结果, 得出以下几点结论:a.缸体受力仿真结果显示, 缸体把合螺栓根部薄壁处是应力集中区, 计算得出的最大应力超过缸体材料的抗拉极限;b.缸体的金相组织、化学成分及硬度实测值均符合技术要求;c.断口分析结果表明:缸体裂纹萌生于外壁夹杂物处, 并在夹杂物与基体的结合面处开裂, 断口形貌为沿晶解离断裂, 瞬断区存在过烧迹象。

6改进措施

针对以上原因, 现提出以下改进措施防止以后类似事件的再次发生:

a.优化结构设计, 提高缸体表面质量, 减少铸件由于结构因素或表面缺陷而产生的应力集中, 如对磨具型腔进行表面打磨或采用塑料磨具;b.严格控制浇注温度, 防止产生过热组织;c.合理选择缸体材质, 保证缸体整体承载能力。

摘要：某汽车缸体在运行中发生断裂失效。本文通过对汽车缸体的化学成分、力学性能、宏观断口、微观断口及受力情况进行综合分析后, 找到了缸体产生失效的原因。