Page 51 - 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

义。笔者从材料学角度出发，给出如下的失效新定 的内涵如图1所示。这个定义意味着，只要产品（构
义：“失效是指产品因外观形态或微观结构发生变化 件）的外观形态或微观结构二者之一发生变化，如不
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而不能满意地完成设计规定的功能” ，失效新定义 能满足设计规定的功能，则判定为失效。
电子缺陷
截面分离
零维缺陷
局部损伤 线状缺陷
外观形态 微观结构
变形过大 面状缺陷
表面变性 体状缺陷
组织退化
图 1 失效新定义的内涵
具体而言，外观形态是指构件失效后的宏观形 陷，以及层错、分层、微裂纹等。
貌及其损伤现象，采用肉眼、相机或手机可以观察和 （5）体状缺陷：夹杂物、气孔、异物、未熔合、成
识别。外观形态反映了构件失效后的表现形式，其 分偏析等显微缺陷。
形貌特征对于判定构件的失效类型相当重要，一般 （6）组织退化：碳钢中珠光体的溶解与石墨化，
分成以下4种状况。 亚晶粒的回复与再结晶，高温材料的蠕变损伤，中子
（1）完全断裂：构件截面发生整体分离，留下 辐照后的材料脆化，高温下单晶镍基叶片退化为多
断口。 晶与表界面元素的互扩散，腐蚀介质中材料发生晶
（2）局部损伤：由腐蚀、磨损、疲劳、蠕变、辐照 间腐蚀、应力腐蚀开裂等。
等因素引起构件的局部损坏，表现为凹坑、磨痕、孔 因此，为了定位构件的失效源，解析材料的失效
洞、裂纹、银纹等缺陷；严重时也会断裂，留下断口。 行为，鉴别失效机理，进而确定失效的根本原因，需
（3）变形过大：薄壁构件、传动部件、复合材料 要综合运用多种表征分析方法。这些分析方法从极
结构件等发生过大的变形，影响其完成预定的功能， 大到极小两个方面，对失效源的缺陷形貌、形态、成
严重时也会断裂，留下断口。 分、结构，以及应力分布等进行观察和分析。只有全
（4）表面变性：电子器件等表面污染、变色等现 方位、多层次的剖析，才能确定缺陷产生的源头及其
象。虽然没有可见的断口，但表面性质已发生明显 失效的根本原因。
的变化，影响其物理性能。 2 失效分析新体系
微观结构是一个广泛的概念，具体含义取决于
失效分析的目的是找到失效的根源，预防同类
应用的领域。这里定义的微观结构，是指构件失效 失效的再次发生。其分析过程必须紧密结合现场调
时在微纳米尺度下材料内部的缺陷形态及其演变 查和检验检测，在对各种数据进行整合和比较后，才
过程。由于微观缺陷尺寸太小，必须借助一些高分 能开展综合性分析。即从宏观到微观、从块体到表
辨率显微分析方法才能观察清楚，比如扫描电子显 面、从无缺陷到有缺陷、从表象到本质，根据逻辑关
微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、聚焦离子 系，推理和解析失效的主要影响因素，最终确定失效
束（FIB）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜 的根本原因。
（AFM）、同步辐射（SR）等，揭示微观缺陷的产生源 失效分析并非是简单的检验检测及其测试结果
头及其损伤演变过程。这些缺陷按照尺寸大小可以 的对比，而是一项全面、系统且完整的综合性分析工
分为以下6类。 作。为确保整体分析的科学性与严谨性，必须依据
（1）电子缺陷：电子空穴、电子缺失、电子湮灭、 科学理论，严格遵循主要步骤进行规范操作。在此
载流子迁移率不均等。 基础上，从逻辑关系层面构建起失效模式、失效形
（2）零维缺陷：晶体中的空位、异质，聚合物主 式、失效缺陷、失效机理与失效原因的相互关系（见
链的断链、降解、交联等。 图2）。因而，失效分析的完整流程通常包含5个关
（3）线状缺陷：晶体中的刃型位错、螺型位错、 键环节：失效模式的初步判定、 失效形式的清晰界
复合位错等。 定、 失效缺陷的精准认定、 失效机理的科学鉴定以及
（4）面状缺陷：晶界、亚晶界、孪晶界、相界等缺 失效原因的正确确定。这5个环节在失效分析过程
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