Page 50 - 理化检验-物理分册2025年第三期

杨振国：失效分析体系的新诠释

其失效行为采用现有的失效分析体系难以解释。改 从材料学视角来看，失效的本质是一个值得探
性的高密度聚乙烯塑料无需纤维增强，就能替代金 究和思考的基本问题。只有深刻理解失效的物理含
属材料作为特种管道，目前已规模化应用于核电站 义，才能真正洞察失效的本质，揭示失效的源头及其
三回路管道、城市燃气管道、防腐蚀输送管道等工业 演变过程，找到失效的根本原因，从而针对性地采取
领域。但是，在实际使用中，一些新的失效现象如性 整改措施，防止同类失效的再次发生。
能的劣化、退化、脆化、老化等逐渐显现，需要开展 然而，在当前公开的众多文献中，失效的定义往
深入的研究和分析。因此，现有的失效分析体系需 往因主体不同而有所差异。不同行业的学者基于各
要充实和完善，以提供更完整的分析体系，这是工程 自的研究领域，对失效有着不一样的定义和认识。
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上的迫切需求，也是技术进步的必然。 《新华字典》是从社会学角度来定义失效的 ：
对此，笔者探究了现有失效分析体系存在的问 “失效意味着丧失功效”。这个定义简洁明了，易于
题，以促进其完善和发展。首先，评述了失效的多种 理解，但没有将失效与材料联系起来。
定义，在此基础上提出了失效的新定义，以深刻理解 国家标准GB/T 3187—1994《可靠性、维修性
失效的本质。然后，给出了失效模式的新分类，阐明 术语》中对失效是这样定义的：“产品终止完成规定
失效模式的物理含义和特点。采用提出的畸变失效 功能的能力这样的事件”。这一定义在一定程度上
模式取代以往常用的变形失效模式，论述畸变与变 与材料联系了起来，因为所有有形的产品是由材料
形的本质区别及其内在联系，使失效分析能够涵盖 制成的，不包括无形的软件产品。
和解释更复杂的失效现象。随后，引入“五要素”概 钟群鹏院士作为我国失效分析学科创始人之
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念，即失效模式、失效形式、失效缺陷、失效机理和 一，其主编的《材料失效诊断、预测和预防》 一书
失效原因，构建出失效分析新体系，失效形式的嵌 中对失效的定义为：“机电产品丧失功能的现象称为
入使得该体系更加完整。接着，阐述了失效模式与 失效”，这个定义与材料直接联系在一起。而已故材
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失效机理的区别，强调失效机理是失效分析的关键。 料学大师师昌绪院士主编的《材料大辞典》 中对失
最后，给出金属材料失效模式与失效机理相互关系 效的定义则是，“失效，又称复合材料的破坏，指复合
的新表述，揭示出不同的失效机理对应于不一样的 材料在经过某些物理、化学过程后（如外力作用、材
失效原因。 料老化、温度和湿度变化等）发生了尺寸、形状、性
能的变化而丧失了规定的功能”。此定义适用于复
1 失效的新定义
合材料，但并不能涵盖所有材料。
结构系统是由不同类型的构件通过合理搭配连 同样，国外对失效的定义也有不同的认识。最
接而成的。构件（component）是结构系统中具备特 具权威性的定义出自美国金属学会手册（ASM
定功能的可更换单元。它既可以是不可拆分的单一 Handbook）。2021年更新出版的 《美国金属学会手
零件，也可以是由多个零件连接而成且不会发生相 册 第11卷： 失效分析与预防》中给出如下的定义。
对运动的组合体。就管路系统而言，直管用来输送 任何服役的构件，若有以下3种状态之一时，即
介质，弯管用于改变介质流向，变径管用作调整介质 判定为失效。
流速，多通管用做介质分流，不同的构件赋予不同的 （1）已经完全不能运行。
功能。 （2）仍可以运行，但不能满意地执行其设计规定
构件是由各类工程材料制成的，材料是保障其 的功能。
安全使用的基础。然而，构件在使用过程中可能出 （3）已经严重恶化，变得不可靠或继续使用变得
现意外失效的情况。其原因可能源于设计环节的不 不安全。
合理、材料的品质一般、加工与制造过程中的工艺失 该定义是基于服役中的构件可能出现的3种不
误、安装过程中的不规范操作等原始缺陷，也可能是 安全状态提出的，这3种状态分别是完全失效、部分
在使用过程中因腐蚀、磨损、疲劳、蠕变、辐照等因 失效以及即将失效。
素而产生的次生缺陷。失效分析是用来确定材料缺 由上述内容可以看出，在不同领域中，对于失
陷产生的源头，通过对缺陷特有的“指纹”或“基因” 效的含义存在着不同的理解，且其定义差异性较大。
进行深入的分析，最终能够追溯并找到失效的根本 因此，为了实现对失效概念的统一认识，有必要从材
原因。 料本身的特性出发，对失效进行更科学、准确的定
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