Page 87 - 理化检验-物理分册2025年第二期

杨振国：失效分析学科的形成、发展与展望

车轴断裂事故，导致列车出轨，煤水车倾翻引起大 献能够比较客观、全面地介绍和评述这一问题。
火，约52~200名乘客死亡、数百人重伤，即凡尔赛 通常来说，一个学科体系的构成离不开4个核心
铁路事故。为此，德国WOHLER针对火车车轴开 要素，即基本概念、基础理论、分析方法和具体应用。
展了一系列的疲劳试验，发现金属材料存在疲劳现 要判断一个学科是否已经成熟，主要依据3个关键指
象，车轴在交变载荷作用下发生了低应力疲劳开裂。 标：该学科是否定期举办国际学术会议，是否出版了
1871年，WOHLER基于交变载荷作用下车轴的疲 相关的学术专著，以及高校是否已经开设了相应的
劳寿命试验结果，提出了著名的疲劳寿命估算S （疲 课程。基于这些要素和指标，我们可以确认失效分
-
劳强度）N （疲劳寿命）曲线与疲劳极限概念，被认 析学科是在20世纪70年代形成的。
[5]
为是金属材料疲劳研究的奠基人 。1963年，美国 1966年， 美国成立了国家运输安全委员会（NTSB），
[6]
PARIS 基于断裂力学概念，采用应力强度因子幅 负责调查分析和处理航空、海运、公路、铁路、管路
ΔK描述了裂纹疲劳的扩展规律，提出了预测疲劳 5种运输方式发生的意外事故，通过对事故进行调查
裂纹扩展寿命的著名理论公式，为含裂纹构件疲劳 和失效分析，避免事故再次发生。同年，美国金属学
寿命的估算提供了理论基础，由此诞生了疲劳力学 会（ASM）发行了著名失效分析专家WULPI [10] 的培
[7]
学科。早在1921年，英国GRIFFITH 发表了题为 训讲义Understanding How Components Fail，并举
The Phenomenon of Rupture and Flow in Solids （固 办金属构件失效分析研讨会。1967年1月27日，美
体中的破裂和流动现象）的著名论文，他研究了玻璃 国阿波罗1号载人飞船发射前， 在地面测试时发生特
脆性材料的断裂强度，提出了裂纹失稳扩展的能量 大火灾事故，导致3名宇航员不幸遇难， 令世界震惊。
释放率G的概念，指出玻璃的实际断裂强度之所以 这起事故促使美国航空航天局 (NASA)对阿波罗飞
远低于理论强度，原因是脆性材料存在固有的微裂 船开展失效分析并查找事故发生的原因，NASA重
纹，而含裂纹材料的断裂强度取决于裂纹长度。由 新设计了飞船，加强了安全监管。NASA成立了机
此，GRIFFITH提出了裂纹失稳扩展的能量释放率 械故障预防中心，同时创建了毅博公司，专注于航空
G的判据，成为近代断裂力学的先驱。1957年，美国 航天装备的事故调查和失效分析，以提高系统、设备
北极星导弹固体火箭发动机的壳体在试验发射时发 和构件的安全可靠性。1990年8月17日，毅博公司
生爆炸事故，壳体采用高强度钢制造。美国国防部 以失效分析和第三方检测为主营业务的公司在美国
为此组建了高强度材料脆断特别委员会，对事故原 纽约纳斯达克证券交易所成功上市，证明了失效分
因开展调查，IRWIN在调查过程中发现导弹壳体上 析的重要性及其价值，得到了公众的广泛认可。在
有裂纹。他采用Griffith能量扩展理论对含裂纹板进 同一时期，美国军方开展以失效分析为中心的电子
行分析，发现裂纹尖端附近的应力场具有奇异性，即 元器件质量保证计划，针对制造和试验中暴露的问
应力在裂纹尖端趋于无穷大，而裂纹的失稳扩展是 题，采用失效分析的方法找出原因，改进设计和工
[8]
由裂纹尖端附近的应力强度因子控制的 ，从而给出 艺，使集成电路的失效率从7×10 −5 次/h极大地降
了高强度构件在低应力下发生脆性断裂的原因。由 低到3×10 −9 次/h ，下降了整整4个数量级，最终
[11]
此，IRWIN提出用应力强度因子，即材料的断裂韧 阿波罗11号载人飞船在1969年7月20日成功登上
性作为裂纹失稳扩展准则的判据，开创了线弹性断 了月球，失效分析发挥了至关重要的作用。
裂力学，后来发展成为以J积分、裂纹尖端张开位移、 ASM经过8 a多的深入研究和实践，于1974年

能量释放率、双判据准则R6法等为判据的弹塑性断 10月在加州圣迭戈举办了首届国际测试与失效分析
裂力学。应力强度因子及断裂力学的其他参数现今 会议（ISTFA），这一创新举措预示着失效分析领域
已应用于现代工程结构设计中，建立了API（美国 迈入了一个新的时代，为国际学术交流和合作奠定
石油学会）法、CEGB-R6（英国中央电力局R6）法、 了基础。1975 年，ASM在 《金属手册》第 8 版中出
EPRI（电力研究协会）法、ASME法、英国标准协会 版了《第10卷： 失效分析与预防》 。这一卷的编纂，
[12]
PD-6493法及我国CVDA（压力容器缺陷评定规范） 是以1948年出版的 《金属手册》中“服役失效”章节
法等，成为钢结构抗断裂设计的理论基础。 为蓝本，超过70位专家学者凭借各自在失效分析领
疲劳与断裂学科的发展脉络清晰可辨，其历史 域的深厚造诣，对各个主题进行深入地补充、扩展
进程与失效分析学科大致相似 。然而，关于失效 和编写，最终形成了一部综合性的专业手册。这部
[9]
分析学科的形成时间，学界观点不一，至今尚未有文 手册被认为是全球首部全面介绍失效分析与预防领
71