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第一讲 失效分析基础知识第一讲
失效分析基础知识
钟群鹏
北京航空航天大学
一、基本概念
1.失效和失效分析
产品丧失规定的功能称为失效。
判断失效的模式，查找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。 2.失效和事故
失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态。失效和事故常常有一定的因果关系，但二者没有必然的联系。
3.失效和可靠 失效是可靠的反义词。机电产品的可靠度R(t)是指时间t内还能满足规定功能产品的比率，即n(t)/n(0)。累积失效概率F(t)就是时间t内的不可靠度，即F(t)=1-R(t)=(n(0)-n(t))/n(0)。
4.失效件和废品 失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件，而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。
5.失效学 研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。
二、失效的分类
1.按功能分类
由失效的定义可知，失效的判据是看规定的功能是否丧失。因此，失效的分类可以按功能进行分类。例如，当把材料作为产品，按不同材料的规定功能可以用各种材料缺陷（包括成分、性能、组织、表面完整性、品种、规格等方面）来划分材料失效的类型。对机械产品可按照其相应规定功能来分类。
2.按材料损伤机理分类
根据机械失效过程中材料发生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特征差异，可以作分类如表1所示。
3.按机械失效的时间特征分类
（1）早期失效：可分为偶然早期失效和耗损期失效。
（2）突发失效：可分为渐进（渐变）失效和间歇失效。
4.按机械失效的后果分类
（1）部分失效
（2）完全失效
（3）轻度失效
（4）危险性（严重）失效
（5）灾难性（致命）失效
三、失效分析的分类
失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为：
（1）狭义的失效分析：主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。
（2）广义的失效分析：不仅要找出引起产品失效的直接原因，而且要找出技术管理方面的薄弱环节。
（3）新品研制阶段的失效分析：对失效的研制品进行失效分析。
（4）产品试用阶段的失效分析：对失效的试用品进行失效分析。
（5）定型产品使用阶段的失效分析：对失效的定型产品进行失效分析。
（6）修理品使用阶段的失效分析：对失效的修理品进行失效分析。
表1 失效的分类
变形 弹性
塑性
粘弹性
断裂 韧窝断裂
解理断裂
准解理断裂
疲劳断裂 机械疲劳 应力疲劳
应变疲劳
接触疲劳
腐蚀疲劳
高温疲劳
热疲劳
微动疲劳
沿晶断裂
磨损 磨粒磨损
粘着磨损
疲劳磨损
腐蚀磨损
微动磨损
腐蚀 化学腐蚀
电化学腐蚀 点蚀
晶间腐蚀（剥蚀）
电偶腐蚀
选择性腐蚀
缝隙腐蚀
气氛腐蚀
生物腐蚀
土壤腐蚀
应力腐蚀
氢脆
腐蚀疲劳
老化（非金属）
变质（油液）
四、失效分析预测预防的地位与作用
从人类认识客观世界的历史长河来说，人的认识是有限的，而客观时间是无限的。失效是人们的主观认识与客观事物相互脱离的结果，失效发生与否是不为人们的主观意志为转移的，因此，失效是绝对的，而安全则是相对的。失效分析是人们认识客观物理本质和规律的逆向思维探索，是对正向思维研究的不可缺少的重要补充，是变失效（失败）为安全（成功）的基本关键，是人们深化客观事物认识的知识源泉。失效分析、改进提高、再失效分析研究、再提高发展，如此往复循环、螺旋上升、发展飞跃，就是人类科学技术发展的历史，乃至于社会发展历史的全过程，因此，广义地说，人类的科学技术发展史、社会发展史就是与广义失效不断作斗争，变失效（失败）为安全（成功）的历史。
当今，科学技术是第一生产力，高科技的发展已成为国民经济和国防科技发展的主要关键和依托，而高科技的发展也依赖于高科技发展中的失效分析预测和预防，因此，高科技的发展更需要失效分析预测预防技术的进一步强化，并将失效分析预测预防列为高科技的发展领域之内。具体来说有以下几点：
1.失效分析可以减少和预防机械产品同类失效事故的重复发生，从而提高机械产品质量和减少经济损失，它是创建名牌机械产品的必由之路和科学途径。
2.失效是产品质量控制网发生偏差的反映，失效分析是可靠性工程必不可少的基础技术工作，加强机械产品失效及其分析工作的管理必将强化全面质量管理工作，因此它是机械产品全面质量管理中的重要组成部分和关键的技术环节。
3.失效分析是机械产品维修工作的技术基础，它可以决定维修的可能性、技术和方法，从而提高维修工作的质量、速度和效益。
4.失效分析可以为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、开展技术保险业务、修改和制定产品质量标准等方面提供可靠的科学技术依据，它是经济立法工作中重要程序和基础技术工作，从而可提高经济法的完整性、科学性和可观权威性。
5.失效分析是技术开发、技术改造、技术进步乃至整个科学技术水平的提高等方面的“开拓者”和“杠杆”，它提供信息、方向、途径和方法，从而提高国民经济发展和科学技术发展的速度。
6.机械产品失效及其分析工作的累积统计资料可以提供技术信息、经济信息和人才信息，它可以反映经济工作、科学技术研究和人才培养方面的薄弱环节和失误或失调，因此它是领导者们进行宏观经济和技术决策重要的信息来源，它也是科学技术人员认识事物和改造事物的信息源泉。
总之，失效分析预测预防是从失败入手着眼于成功和发展，是从过去入手着眼于未来和进步的科学技术领域，并且正向失效学这一分支学科方向发展。重视这一分支学科的发展，有意识地运用它已有的成就来分析、解决和攻克相关领域中的失效（失败、故障）问题，是人们走上成功，科技发展少走弯路的捷径之一。
五、失效分析预测预防与相关学科、技术之间的关系
由于机械失效学是一门交叉、边缘、综合的新兴学科，因此，它与多种学科和技术有关。
基础学科与机械失效学相结合，形成不少边缘学科，例如，机械失效学与物理学交叉诞生了失效物理学；与力学的交叉形成了失效力学和损伤力学；数学与机械失效学相结合，促成了可靠性数学的问世。
机械失效学与许多应用学科、技术有密切的联系。“机械”是失效分析的对象，因此失效分析与机械学的专门知识有关；“材料”是失效的载体，这样失效分析就自然地涉及材料科学和工程领域的各种知识；“环境”是失效发生的条件，所以失效分析就与环境科学知识有关；“检测”是失效分析中信息的获取的重要途径和手段，显然失效分析就离不开宏观和微观的检测有关的知识；“分析”是失效分析的核心，因此失效分析必将涉及逻辑学和数理统计有关的专门知识；此外，失效分析不仅是一种“技术活动”，而且还是一种“管理活动”，因此，失效分析过程和它的成果反馈，又与管理科学的专门知识有关。
可以认为，机械失效学是在其他学科基础上，在70年代形成和发展起来的新的应用性学科，它的发展又对其他学科有反馈促进作用。可以这样说，近代材料科学和工程力学对断裂、腐蚀、磨损及其复合型的失效模式和失效机理研究，为失效学奠定了理论基础。现代的检测仪器仪表学、断口分析术，为失效学奠定了技术基础。数量统计、模糊数学、可靠性工程和电子计算机科学的广泛应用为失效学提供了新的方法途径，以上三个方面的融合贯通，使机械失效学逐渐形成相对独立的，十分活跃的学科。
六、失效分析预测预防的技术工作
广义地说，失效分析的工作内容应包括失效分析的业务工作（即“门诊”工作）、失效分析的研究工作和失效分析的管理及技术反馈工作。下面就分别给予扼要地讨论。
1.失效分析的预测预防的业务工作
总的来说，失效分析的业务工作有两个方面，一方面是产品的失效分析，另一方面是产品的安全度评定和剩余寿命的预测。前者是失效事后的分析，而后者是失效事前的分析。
根据失效分析的定义，一个失效事件分析的全过程一般包括侦测（detection）、诊断（diagnosis）和事后处理（prognosis）三个阶段。即利用各种“侦测”手段，调查、侦查、测试和记录有关失效的现场、参数和信息；通过“诊断”鉴别和确定产品失效的模式、过程、原因、影响因素和机理；经过“事后处理”采取补救措施（对服役件）、预防措施（对新生产的产品）和其它技术的、管理的反馈活动，以达到预防、提高和开发的目的。侦测、诊断和事后处理是失效分析工作的三个要素。
产品失效分析的重点无疑是分析产品的早期失效事件、突发性失效事件以及致使的失效事件，因为这些失效事件的分析事关重大或关系到全局。
失效分析的深度应依其分析的目的和要求不同而异。失效分析工作者的任务是根据失效分析的不同目的和要求，作出确切而恰当的诊断及对策。按照产品的发展的阶段——试制阶段、试生产阶段和定型生产阶段——不同，其失效分析的方面和内容也各不相同。
2.失效分析预测预防的研究工作
失效分析的研究工作主要是指失效分析物理的研究，失效机理的研究，失效诊断的研究和失效预防工程技术方面的研究等四个方面的工作。下面就分别给予简要的介绍。
1）失效诊断的研究工作
失效诊断是分析失效原因的思维学和方法论。具体的说，失效的诊断研究一般应包括失效诊断依据的研究、失效诊断思路的研究和失效诊断技术与方法的研究等三个方面。
2）失效预防的研究工作
失效预防的研究工作是为了探讨失效的补救措施、预防方法和管理途径。失效分析成果的反馈和失效预防，以防止同类失效事故的重复发生是失效分析的重要目的之一。失效预防的研究工作范围很广，它应包括机械系统或设备的性能参数的分析和诊断技术工况的监测方法、技术、装置和系统的开发和采用，产品的安全度评定和剩余寿命的估算，失效预防工程方法（包括表面损伤的预防方法，断裂失效临界状态的评定和预测方法——失效评定图、断裂控制图、变形机制图、蠕变机制图和疲劳机制图等）的研究开发和应用推广，关于机械产品失效维修的原则、原理、技术、方法及其应用方面的研究等。可以看出失效预防方法的研究工作是艰巨的、十分重要的却大有可为的。
3）失效机理的研究工作
失效机理是研究失效的物理、化学原因、失效过程及其影响因素等。如果认为失效物理的研究内容主要是失效模式（模型）及其应用的话，那么失效机理的研究则主要集中在失效的本质（物理、化学原因）和过程。失效机理和失效模式不同，以人的生病来打比喻，失效机理相当于病理，而失效模式则相当于病症。具体地说，失效机理主要研究各种失效方式，研究材料成分、组织结构和性能等内部因素对失效过程的影响。
4）失效物理的研究工作
所谓失效物理（或称为可靠性物理）就是从原理上，即从原子和分子的角度出发，来解释元件、材料失效的现象。失效物理学的基础是数理统计方法、可靠性工程和材料科学工程学。失效物理的基本研究内容则是失效的物理模型定性及定量的描述方法、失效物理模式的识别及其应用。无疑，对失效物理的深入研究和广泛应用，必将加强失效分析的广度和深度。失效物理模型的概念详见有关文献。
3.失效分析的预测预防的管理和技术的反馈工作
失效分析的管理和技术反馈应该包括全国性、部门性、地区性的失效分析和管理机构的建立；失效分析的技术指导性文件、规程和标准的颁布实行；失效事件的分析工作的组织和管理；失效研究工作的组织和开展；失效及可靠数据库和技术反馈系统的建立和运转；各级失效分析人员的培训和提高等。值得指出的是，从失效分析的定义中就已经把“管理活动”当作失效分析不可缺少的内容和环节之一，从以上的讨论中可进一步地看出，失效分析的管理和技术反馈内容和范围十分广泛和重要，因此，应给予足够重视。
七、失效分析人员的基本要求
由于失效分析重要性、复杂性和特殊性，失效分析人员除要有扎实宽广的基础理论外，还应在实践中逐步培养，并应具备以下基本素质：
1、彻底的求实精神，在任何情况下都要坚持实事求是，要用事实来说话，勇于坚持真理，修正错误。
2、敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于利用一切手段(包括先进的仪器、设备)捕捉失效的信息和证据。
3、正确的失效分析思路和良好的失效模式、失效原因判断能力，要有“医生的思路，-的技巧”。
4、善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向一切可能共事的人们学习。
5、要有扎实的专业基础知识和较广的知识面，工作能力要强，办事效率要高。失效分析程序。
第二讲：
失效分析程序
Failure Analysis Procedure
张峥
Zhang Zheng
(北京航空航天大学材料学院，北京，100083)
(School of Materials Science and Engineering, Beihaing University, Beijing, 100083)
机械失效常常会出现多个机件发生失效，特别是机械事故发生的时候，往往有大量机件同时遭到破坏，情况相当复杂，而失效原因也错综复杂、多种多样，因此，需要有正确的失效分析思路和合理的失效分析步骤。失效分析的实施步骤和程序旨在保证失效分析顺利有效地进行，但是机械产品的失效常常是千变万化，很难制定一个统一的失效分析程序，因此，其细节的制定应根据失效事件的具体情况（失效设备的类型及其失效的严重性等）、失效分析的目的与要求（为机理研究、技术改进、还是为法律仲裁等）、以及有关合同或法规的规定来决定。下面介绍一般通用的失效分析实施步骤和程序，原则上可供参考和引用。
图1示出所推荐的失效分析实施步骤和程序的流程图。
图1 失效分析实施步骤和程序
1 保护失效现场
保护失效现场的一切证据，维持原状、完整无缺和真实不伪，是保证失效分析得以顺利有效地进行的先决条件。失效现场的保护范围视机械设备的类型及其失效发生的范围而定。
2 侦察失效现场和收集背景材料
失效现场侦察应由授权的失效分析人员执行，并授权收集一切有关的背景材料。失效现场侦察可用摄影、录像、录音、绘图及文字描述等方式进行记录。
失效现场侦察所应注意观察和记录的项目主要有：
1) 失效部件及碎片的名称、尺寸大小、形状和散落方位。
2) 失效部件周围散落的金属屑和粉末、氧化皮和粉末、润滑残留物、及一切可疑的杂物和痕迹。
3) 失效部件和碎片的变形、裂纹、断口、腐蚀、磨损的外观、位置和起始点，表面的材料特征，如烧伤色泽、附着物、氧化物、腐蚀生成物等。
4) 失效设备或部件的结构和制造特征。
5) 环境条件：失效设备的周围景物、环境温度、湿度、大气、水质。
6) 听取操作人员及佐证人介绍事故发生时情况（录音记录）。
在观察和记录时要按照一定顺序，避免出现遗漏。例如观察和记录时由左向右、由上向下、由表及里、由低倍到高倍等。
所应收集的背景材料通常有：
1) 失效设备的类型、制造厂名、制造日期、出厂批号，用户、安装地点、投入运行日期、操作人员、维修人员、运行记录、维修记录、操作规程、安全规程。
2) 该设备的设计计算书及图纸、材料检验记录、制造工艺记录、质量控制记录、验收记录、质量保证合同及其技术文件，使用说明书。
3) 有关的标准、法规、及其他参考文献。
4) 收集同类或相似部件过去曾发生过的失效情况。
3 制定失效分析计划
只有极少数的情况下，通过现场和背景材料的分析就能得出失效原因的结论。大多数失效案例都需根据现场侦察和背景材料的综合分析结果来制定“失效分析计划”，确定进一步分析试验的目的、内容、方法和实施方式。
在制定失效分析计划前要初步确定肇事件(确定肇事件的方法在后续讲座中有详细介绍)，通过肇事件的分析可以判断失效模式、确定失效原因和机理，失效分析的详细计划是围绕着肇事件进行的，因此，确定肇事件是一项非常重要的工作。
失效分析计划由授权的分析人员制定，根据具体情况或要求，可由有关方面的代表参加讨论。
失效分析试验过程通常包括以下内容：
1) 金相检查
2) 化学成分分析
3) 无损检测
4) 材料性能测试
5) 试样的选取、保护和清洗
6) 试样的宏观检查和分析
7) 试样的微观检查和分析
8) 断裂力学分析
9) 模拟试验等
对各项试验方案应考虑其必要性、有效性和经济性。一般宜先从简单的试验方法入手，如有必要时才进一步使用费用高的和较复杂的试验方法。如确属必要进行失效模拟试验，其设计应尽可能模拟真实的工况条件，使之具有说服力。
从失效部件上和残留物上制取试件或样品，对于失效分析的成败具有十分重要意义，务必要周密计划切取试样的位置、尺寸、数量和取样方法。应当特别强调，失效部件和残留物上具有说服力的位置和尺寸是十分有限的，一旦取样失误，就无法复原而完全丧失说明力，致使整个失效分析计划归于失败，造成不可挽救的后果。
失效分析计划要留有余地，以便在个别试验中发现意外现象时，为了适应新的情况，可中途改变某些方法，或做补充试验。
4 执行失效分析计划
失效分析的各项试验应严格遵照计划执行，要有详细记录，随时分析试验结果。
失效分析的试验一般具有几个不同于一般科研试验的特点，应特别予以重视：
● 一般都要求在很短的时间内取得试验结果，因此既要保证按时完成、又要防止在匆忙中发生疏忽和差错。
● 许多失效分析工作涉及法律问题，为此，各项试验工作应建立严格的责任制度。试验人员在试验记录和报告上签名。
● 试件、样品都要直接取自失效实物。一般不能用其它来源的试件样品代替。
● 失效分析是人们进一步认识未知客观世界的一种科研活动，试验人员切不可在思想上存在先入为主的概念，错误认为失效分析的试验只不过是已知条件的复验、以致放松对试验过程中出现新现象的观察，实际上，失效分析往往含有新发现和技术突破，试验人员更应注意观察这种试验的全过程。
5 综合评定分析结果
授权的失效分析人员，要经过充分的讨论，对现场发现、背景材料及各项试验结果做综合分析，确定失效的过程和原因，做出分析结论。
综合分析，特别是在杂的失效案例情况下，可来用故障树(Fault Tree）找其它形式的逻辑图分析方法。
在大多数情况下，失效原因可能有多种。应努力分清主要原因和次要原因。
综合分析讨论会有详细的发言记录和代表共同意见的会议纪要，由与会人员签名，存入失效案例档案。
6 研究补救措施和预防措施
失效分析的目的不仅限于弄清失效原因，更重要的还在于研究提出有效的补救措施和预防措施。从大量同类和相似失效案例分析积累的丰富经验有利于这类措施的研究。
补救措施和预防措施可能涉及设备的设计结构、制造技术、材料技术、运行技术、修补技术、以及质量管理的改进，乃至涉及技术规范、标准和法规的修订建议。这类研究工作量往往很大，除个别简单情况可由承担失效分析的人员进行外，一般由失效分析人员提出问题或补救方案，由负责单位责成有关专业部门或单位进行专题研究，提出研究报告，做为改进设备的依据。
7 起草失效分析报告
失效分析报告一般可不规定统一的格式，但行文要简练，条目要分明，内容一般应包括下列项目：
1) 题目；
2) 任务来源：包括任务下达者及下达日期，任务内容简述，要求的分析目的；
3) 各项试验过程及结果；
4) 分析结果——失效原因；
5) 补救措施和预防措施或建议；
6) 附件（原始记录、图片等）；
7) 失效分析人员签名及日期。
对于大宗同类产品的失效分析，宜规定一定的报告形式。以便于事后的统计分析工作和计算机辅助失效分析。
8 评审失效分析报告
失效分析评审会的组织形式及其参加人员可由有关方面协商决定，一般宜由失效分析工作人员、失效设备的制造厂商代表、用户代表、管理部门代表、司法部门代表和聘请的其它专家组成。各方面代表应本着尊重科学、尊重事实和法律的态度履行其评审职责，不得对失效分析人员以任何形式施加不正当的压力和影响。失效分析人员的客观公正立场应受维护和尊重。
9 提出失效分析报告
失效分析报告通过评审后，按评审决议修改并制定成报告正式文本，内容项目除上述（7）所示外，还宜增加下列三项：
1) 评审意见：包括评审人员签名及日期；
2) 呈送及抄送单位：包括抄送“反馈系统”；
3) 密级。
10 反馈失效分析成果
反馈系统是失效分析成果的管理系统，目的在于充分利用失效分析所获得的宝贵技术信息、推动技术革新、促进科学进步和提高产品质量。
失效分析的反馈系统可采取多种组织形式。例如可与企业的技术开发和情报部门结合。可与国家的质量管理部门、可靠性研究中心、数据中心及数据交换网相结合，把输入的大量失效分析报告和来自数据交换网的其他信息。经过“分类”、“统计分析”、“数据处理”，制成各种形式的文献，例如快报、数据手册、指导性文件、年鉴、书刊等，传递到各个经济部门、生产部门、科研部门、教育部门、司法部门及新闻部门，把失效造成的损失化为巨大的效益。
张峥，男，1965年生，北京航空航天大学教授、博士生导师。目前兼任中国机械工程学会失效分析分会副主任委员、秘书长；中国航空学会失效分析分会委员等职。长期以来，一直从事失效分析预测预防和安全评定等方面的教学和科研工作。先后承担国家科技攻关、国家重点基础研究发展规划等研究项目多项。获得省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项。