第1章 失效分析基本概念及方法

-1-第一章失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料记载的是在公元前2025年由巴比伦国王汉莫拉比撰写的法典中，而真正把失效分析作为仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段是应用于1862年建立了世界上第一个锅炉监察局。失效分析走上系统化、综合化、理论化的新阶段是从20世纪中叶，随着微电子技术的异军突起开始的。1.1失效分析基本概念各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其他形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件发生了失效。失效分析的信息，客观上能够反映机械失效的起始、发展、变化和完成的全过程，以及导致这一失效运动的内、外原因和条件等等，通过与失效事件有关的各种途径传出，经过失效分析人员运用各种必要、可能的调查、检验等科学技术手段（借助科学仪器）等接收，产生回溯反馈，在人类已有失效规律和知识的基础上，就能较完整地在认识或实践上再现失效的全过程。失效事件中的信息量，是由每个具体的失效过程所决定的，而接收这种失效信息多少，则取决于失效分析人员的专业水平和失效分析的科学技术水平。零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。（2）零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等。（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）——产品丧失规定的功能。对可修复产品，通常也称为故障。”该定-2-义中涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。（1）产品按经济学上的定义：企业进行生产活动所创造的、符合于原定生产目的和用途的直接生产成果，物质产品按其完成程度可分为成品、半成品和在制品。它包括任何元件、器件、设备或系统，可以表示产品的总体、样品等。总之，其确切含义在使用这一词时应加以说明，但废品不能算产品。在可靠性和失效分析领域内，如不加说明，产品一般指成品。（2）可修复产品当产品丧失规定功能时，按规定的程序和方法进行维修后，可恢复规定功能的产品。即故障后可以修复的产品。一个产品是否可以修复，是一个历史的相对的概念，受多方面因素的制约。一看技术上是否可能；二看经济上是否值得；三看时间上是否允许。例如电阻、电容、电子管、日光灯管、铆钉、垫片等，一般归于不可修复产品；而起落架、油泵、机床等，只要符合规定的技术条件，一般属于可修复产品，但当超过规定的修理深度时，又变成不可修复产品。所有，产品处于“可修状态”或“不可修状态”。对一个复杂的设备或系统来讲，其中某些零件失效后是不可修复的（如轮胎爆破和前面所说的铆钉和垫片等），但对系统来说（如飞机或发动机）却是可修复的，只需将这些失效的零件替换。（3）功能功能是指作为产品必须完成的事项，产品的功能和用途。不同产品的功能是五花八门的。（4）规定的功能规定的功能是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对产品适用、安全和其他特性的要求。它既是产品质量的核心，又是产品是否失效的判据。因此，产品是否失效主要是在使用（包括检验）过程中考察。一般来说，产品的规定功能与规定的条件相对应。还应具有常识上所应具备的一些功能，如儿童玩具必须具备在儿童误操作的情况下不会对儿童造成伤害的功能。（5）丧失一般理解为产品原有规定的功能在商品流通或使用过程中失去（或消失了），也就是说，产品的规定功能有一个从有到无、从合格到不合格的过程。丧失，可能是暂时的、间断的或永久性的；可能是部分的、全部的；丧失可能快也可能慢；而丧失规定的功能，经过修理后有可能恢复，也可能无法恢复。无论上述哪种情况，-3-都在丧失规定功能之列，即均处于失效状态。也可能有这样的情况，产品一开始就不具备规定的功能。因此，这里建议采用“不具备”来代替“丧失”。从以上可以看出，失效强调的是产品所处的功能状态，失效产品从某种意义上讲也是潜在的不合格产品（虽然出厂时已经贴上了合格的标签），包括在使用初期是合格品而在规定的有效使用时间内功能失效的产品。而故障强调的是产品失效以后可以修复（但不是自然恢复），或者说，故障是产品处于可修复的失效状态。失效分析是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动。失效分析的主要工作内容包括：（1）调查（包括确认是否失效、取证、普查等）；（2）判断失效模式；（3）查找失效原因（包括与产品失效相关的管理因素）；（4）探讨失效机理及其与失效模式的关系（过程的因果关系）；（5）失效后果（影响和危险性）分析；（6）合理制定或修改失效判据（必要时才进行）；（7）失效的数理统计分析（必要并有条件时才进行）；（8）模拟再现和失效预测（必要并有条件时才进行）；（9）明确产品失效责任（必要时才进行）；（10）提出防止再失效的对策（失效分析成果的反馈和响应），注意新的失效因子。失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程规律。一般可理解为失效的性质和类型。失效模式按其所定义的范围、属性、标准和参量，可分为一级失效模式、二级失效模式等。模式准确，就是要将失效的性质和类型判断准确，尤其是要将一级失效模式和二级失效模式判断准确。一级失效模式的分类如图1-1所示。二级失效模式分类所依据的“标准”和“参量”繁杂多样，其判断也要比一级难得多。有兴趣的读者还可参阅有关的失效分析文献。-4-韧性断裂失效断裂失效脆性断裂失效疲劳断裂失效失效模式磨损失效腐蚀失效非断裂失效变形失效电接触失效热损伤失效污染失效图1-1一级失效模式的分类失效机理是指失效的物理、化学变化本质和微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏观（外在的）性能、性质变化和联系。机械失效，乃是一种物质的运动，并表现为一定的形态，故而必然会和一定的客体物发生相互作用，这一作用的结果必然要引起原客体物发生相互作用，这一作用的结果必然要引起原客体物结构和能量的变化，改变客体物的形态，产生一定的反映特征。这种反映特征，就是失效分析中信息源的最主要的物质基础。至于信息量的多少，是由客观事物本身决定的。失效原因的判断是整个失效分析的核心和关键，通常是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素。与失效模式一样，失效原因也可分为一级失效原因和二级失效原因等。一级失效原因的判断，一般指造成该失效事故的直接关键因素处于设计、材料、制造工艺、使用及环境的那一环节，即通常所谓的设计是根本，材料是基础，工艺是关键，使用是保证的某一关键环节。失效原因的判断建立在失效模式判断的基础上，当一个失效件的二级以上失效模式确定以后，一般而言，一级失效原因基本上就很容易确定了。在一级失效原因正确的基础上，探讨和分析二级失效原因。例如设计原因引起的失效还可细分为设计思想、结构、对载荷分析的准确性、选材等二级失效原因。同样，失效原因的确定也分为定量确定和定性确定，在必要时，还要采用失效模拟技术来确定失效的原因。然而失效原因的确定是相当复杂的，其复杂性表现为失效原因具有-5-一些特点，如原因的必要性、多样性、相关性、可变性和偶然性。有关这方面的深入研究可阅读有关参考资料。二十世纪中叶以来，随着微电子技术的异军突起(电子光学、断口学、痕迹学、表面科学、电子金相学等迅猛发展)，产品失效的物理、化学过程，已能从微观方面阐明失效的本质、规律和原因。在此基础上，失效分析逐步走上了较为系统、综合、理论化的新阶段，并在国民经济和技术进步中发挥着日益重要的作用，已为世人所注目。进入本世纪以来，失效分析进入了更加高速发展的阶段，如2004年在葡萄牙里斯本举办的第一届工程失效分析国际会议，参会人数仅有50人左右，而2012年在荷兰海牙举办的第五届工程失效分析国际会议，参会人数超过250人，设立三个分会场，涉及的领域几乎遍布各个行业部门。在如2005年和2006年，美国和我国目前公开发行的专业失效分析杂志《JOURNALOFFAILUREANDPREVENTION》和《失效分析与预防》分别问世，进一步推动了失效分析学科的发展。1.2失效分析基本程序失效分析过程中往往涉及到有多个零部件同时遭到破坏，情况相当复杂。因此，除了要有正确的分析思路外，还需要有一个合理的失效分析程序。由于产品失效的情况千变万化，只能有适应于一般情况的失效分析基本程序。大致包括以下几方面：（1）调查现场失效信息（2）初步确定肇事失效件（3）确定具体的分析思路和工作程序（4）初步判断肇事失效件的失效模式（5）查找失效的原因（6）综合性的分析（7）失效分析报告失效分析基本程序中，每一步骤具体要求如下：（1）调查现场失效信息调查现场失效信息是失效分析的第一步，对现场失效信息的调查必须给予高度重视。它是整个失效分析工作的基础，也是逻辑推理的必要前提。-6-现场失效信息调查是以失效现场为出发点，全面、系统、客观、细致地观察收集失效对象、失效现象、失效环境等现场失效信息以获取真实可靠的感官材料，即要强调现场失效信息的准确性、全面性、客观性和系统性，切忌片面性、主观性以及局限性。（2）初步确定肇事失效件在寻找肇事失效件过程中，往往情况比较复杂，要综合正确掌握逻辑推理，把归纳推理、演绎推理、类比推理、选择性推理和假设性推理这几种常用的逻辑推理方法灵活运用。（3）确定具体的分析思路和工作程序要从设计、制造、维修、使用和研究部门调查了解，历史上是否发生过类似失效事件。如果发生过这种失效先例，并曾作过相应的失效分析，建议按类比和逻辑推理相结合的思路和程序进行分析；如果没有这种失效先例时，则按逻辑推断的思路和程序进行分析。（4）初步判断肇事失效件的失效模式要仔细观察和分析肇事失效件的失效信息，例如失效的具体部位、各种痕迹、结构完整性、表面完整性以及各种性能变化等。同时要观察相关失效件上的有关失效信息以及所处的具体失效小环境。在此基础上，对肇事失效件失效模式的主要类型作出初步判断。判断肇事失效件的失效模式，实际上是一种类别的认定工作，它是以客体的种类特征为基础。同种和同类失效模式是个集合概念，是把种和类相同的客体物（失效事件）的特征综合起来，从而据以判定其失效为这一种或另一类失效模式，这实际上是一种类比推理。应当强调，人们必须先具有关于各类失效模式的基本概念、主要特征、发生条件以及主要判据，否则无法进行失效模式的初步判断。失效模式的初步判断意味着肇事失效件经历了这一失效模式所内涵的失效基本过程以及相关的必要条件和影响因素。因此，有必要首先就这一失效模式范围内的过程规律和因果关系对已取得的失效信息进行加工整理，以判断是否与这一失效模式所反映的宏观特征相一致，是否还需获取那些证据和信息。肇事失效件失效模式的初步判断基本上是宏观的、非破坏性的。（5）查找失效的原因在失效模式初步判断的基本上，查找失效原因就有了明确的方向和范围。一般从如下几方面入手：1）肇事件自身的内因；2）相关失效件的影响；3）肇事件力学环境、介质环境以及温度环境等分析；-7-4）其他异常因素（如辐射、雷击、静电、误操作、人为破坏等）。失效件上最具有某一失效特征或者失效最严重的部位，如磨损最重处、断裂源、腐蚀最深处、热变形所示最高温度区、变形最严重处等，是查找失效原因最关键的部位。第二个关键部位是失效件上失效区与尚未失效区的交界或者两种模式的交界处。查找失效的原因是失效分析中难度最大、工作量最多的阶段，这时涉及的工作包括：1）破坏性取样分析；2）各种宏微观分析；3）非标准的测试、检验。为证实或排除某些可能的失效原因，应精心地设计检验和试验方案。一般采用以下原则：1）先易后难；2）由表及里；3）由低倍到高倍；4）按形貌→成分→性能→结构的顺序开展分析工作。在查找失效原因的过程中要牢记如下几点：1）分析思路和分析工作要紧紧