第1章 绪论

1.1 失效分析的意义

各种机械零件及构件都具有一定的功能，如承受某种载荷、传递能量，完成某种规定动作等。当机械零件丧失它应有的功能或发生损伤破坏时，则称该零件失效。例如，一台机床失去加工精度，一架飞机在空中失事，汽车、轮船、火车发生故障不能正常行驶等都是失效。失效分析的任务就是找出失效的主要原因，并据以制订改进措施，以防止同类失效再度发生。通过对各种各样失效事故的分析和研究，人们逐渐认识到了失效分析工作的重要性，失效分析对提高产品质量有着重要的指导作用。目前，越来越多的国家和企业已经把失效分析作为一项重要的学科和研究内容。

20世纪50年代以来，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、金相学、电子显微学等迅猛发展，产品失效的物理、化学过程，已能从微观角度阐明失效的本质、规律和原因。基于此，失效分析逐渐走上了较为系统、综合、理论化的新阶段，并在国民经济和技术中发挥着日益重要的作用，已为世人所瞩目，其重要意义如下：

1）失效分析是全面质量管理中必不可少的重要环节。任何一次失效，都可以看成是产品在服役条件下所做的一次最真实、最可靠的科学试验结果。通过失效分析，判断失效的模式，找出失效的原因和影响因素，也就找到了薄弱环节所在，从而改进有关部门的工作，提高产品质量。因此，它是对设计、制造及维修工作的最终最有效的检验。失效分析是检验、评定产品缺陷安全度的最佳依据。同时，它就像一面镜子，不断反映产品所固有的以及质量控制中的薄弱环节。

2）失效分析是可靠性工程的技术基础之一。可靠性是产品的关键性指标，而可靠性技术是质量保证的核心。从宏观统计入手的可靠性分析，虽然可以得到产品可靠性的各种特征参数及宏观规律，但不能回答产品是怎样失效以及为什么失效。它主要是处理故障和寿命问题的，并从开发、设计阶段防止缺陷、进行可靠性设计和预测。可靠性分析的前提之一就是确认产品是否失效，分析产品失效类型、失效模式和机理。因此，可靠性分析离开失效分析将寸步难行，失效分析的成果和信息是可靠性分析必不可少的基础。

3）失效分析是安全工程的重要技术保证之一。安全工程是一个系统工程，故安全工作环节多、涉及面广。失效分析是其中的一项关键性工作。例如，机械原因引起的严重车辆事故发生后，失效分析的作用尤为突出。首先一个问题是同类型车辆是否停止使用，接下来要不要普查，要不要返修，如何返修等一系列难题摆在面前。安全工程以事故为主要研究对象，美国空军在20世纪60年代提出了安全系统工程学。众所周知，许多事故是由于产品失效引起的。安全系统工程的主要内容包括安全分析、安全评估和安全措施。失效分析可以找出薄弱环节，查明不安全因素，发现事故隐患，预测由失效引起的危险，提供优化的安全措施。因此，它是安全工程强有力的技术保证之一。

4）失效分析是维修工程的理论基础和指导依据。产品维修要解决的基本矛盾是良好与失效。维护主要是预防失效，保持产品应有的功能；而维修主要是排除失效，即恢复对产品所规定的功能。人类正是在长期与失效做斗争并分析其后果的实践中，才逐步形成了科学的维护规程，发展了先进的修理技术，提出了以可靠性为中心的维修思想，实质上是依据产品本身的固有可靠性特性和产品使用可靠性，结合产品的失效规律和机理，采用科学的分析方法，仅做必要的维修工作。在维修工作中，根据故障检修的结果，确认产品失效的性质、程度和后果，从而采用不同的修理方式。综上所述，在涉及全面质量管理、可靠性、安全、维修四大工程中，失效分析具有不可替代的、举足轻重的地位和作用。

5）失效分析可产生巨大的经济效益和社会效益。通过失效分析可以避免同类事故的再次发生，保障人民的生命财产安全，保证正常的生产、生活和训练。因此，从某种意义上讲，失效分析可输出生产力和战斗力。

失效分析作为强大动力推动了科学技术的进步。在长期、大量的失效分析基础上，不断发现新的失效模式和机理，摩擦学、腐蚀学、疲劳学、断裂力学、损伤力学、断口学、电子显微学、痕迹学、电接触、表面科学等一大批工程学科得以迅猛发展。新技术、新工艺、新材料、新的诊断、测试和监控手段得以广泛的推广和应用。

失效分析反馈到相关部门，促进了产品质量的提高，大量宝贵的失效分析成果和信息是设计、制造部门开发新产品的最好营养品。失效分析在全面质量管理中是一个重要环节，特别在源流管理中，起到早期警戒的作用，以便尽早采取对策。

统计表明，在产品的不同发展阶段，由于质量缺陷带来的经济损失是以数量级的变化而增大的。因此，设计人员不但要积累大量成功的设计原型，更不能忘记那些用血的代价换来的惨痛失败（失效）的教训（各种失效模式、设计禁忌、防错设计等），尽全力把产品的潜在缺陷消灭在设计过程中。

《中华人民共和国产品质量法》有关条文中规定，因产品存在缺陷造成受害人财产损失的，侵害人应当恢复原状或者折价赔偿。受害人因此遭受其他重大损失的，侵害人应当赔偿损失。因产品存在缺陷造成人身、财产损害的消费者，可以向产品生产者索赔，也可向产品销售者索赔。失效分析在加强社会监督，保护消费者合法权益方面可以并且必将发挥更大的作用。

下面以泰坦尼克号沉船事故为例，说明失效分析工作的重要性和意义。

泰坦尼克号是20世纪初世界上最大的豪华游轮，它长260m、宽28m、高51m、吨位46328t，可载客3000多人，当时总耗资750万英镑，泰坦尼克号全貌如图1-1所示。船体结构的设计采用了双壳层和十六个相互隔离的水密舱等安全措施，因而当时被认为是一艘“永不沉没的”巨轮。它的处女航是在1912年4月10日从英国南安普顿出发前往纽约的，航速为22节（1节=1.852km/h），但4月14日晚11∶40在北大西洋与一块漂浮的大冰山相撞，由于船体左侧六个前仓壳体破裂进水，2小时47分钟后沉没，船体沉没时断裂状况模拟图如图1-2所示。船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬身海底，这是迄今为止世界上发生的最大的海事事故。

在对泰坦尼克号船板备用件进行相关检测后，发现有大量的MnS夹杂物，其金相组织如图1-3所示，其纵、横向韧脆转变温度分别为32℃、56℃，而当时的水温是-2℃。可以推定，泰坦尼克号与冰山相撞时的失效特征是脆性断裂模式，船板的冲击断口为典型的脆性断口，如图1-4所示，这是因为船板和铆钉中都含有大量的MnS夹杂物，有害元素P超标以及航速偏快。船板在冰山的持续碰撞下，在夹杂物、铆钉等应力集中处引发了许多裂纹，这些裂纹随后发生快速疲劳扩展并彼此连接成大裂纹，最终导致船板的整体裂开。

图1-1 泰坦尼克号全貌

图1-2 船体沉没时断裂状况模拟图

因此，泰坦尼克号的失效是由于船板和铆钉的断裂韧度低、冰山的撞击力和航速本身过快等相互作用下发生的低应力脆性断裂所引起的。故以后选用了耐低温材料作为船体制造材料，现代船板材料的冲击断口为韧性断口，如图1-5所示，并且严格控制其夹杂物含量以及驾驶航速，从而杜绝了类似事故的发生。

图1-3 船板金相组织

图1-4 船板的冲击断口

图1-5 现代船板冲击断口

产品或装备失效分析的意义不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确，而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析，找到造成产品或装备失效的真正原因，从而建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施，特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化的规律，运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果，提出增强失效抗力的改进措施。既能提高产品或装备承载能力和使用寿命，又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力，使材尽其用，这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容。