Page 53 - 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

因此，虽然失效模式是宏观的，识别相对容易， 失效。顾名思义，畸变是一种大变形，是指超过了设
但辨别时仍需观察细致，辨识精准，做到失效模式的 计限定的结构变形的极限值即阈值。从物理学角度
判断正确。 来看，畸变失效是指构件在满足材料强度的前提下，
2.1.2 腐蚀失效模式 因结构的刚度不足发生了过大的弹性变形，导致构
腐蚀失效模式是指构件与介质发生电化学反应 件间连接失去匹配性，最终不能完成设计规定的功
或化学反应，导致其表面减薄或穿孔引起的失效。 能而失效。在有些情况下，畸变失效也会引起构件
腐蚀失效模式展现的是构件在介质、环境等作 的断裂。例如，在野外作业的大型起重机，其吊臂因
用下引起的失效现象，不是以外力为主引起的失效。 结构变形过大发生偏斜，承载应力重新分布，从原来
因此，通过观察构件表面凹凸不平形貌及其成分分 的拉弯承载方式转变为拉弯扭复杂承载方式，最终
析，再结合介质分析和材料分析，可以推测其经历的 导致吊臂断裂，呈现断裂与畸变的混合型失效形貌。
腐蚀过程与腐蚀机理，进而追溯失效的根本原因。 还有，像复合材料结构件和微电子器件，在完全满足
2.1.3 磨损失效模式 材料强度的条件下，材料因温度应力产生过大的弯
磨损失效模式是指构件与另一构件或介质相互 曲变形或翘曲变形而失效。
接触且相对运动时，由表面持续损耗导致形状和尺 事实上，构件的变形包含材料变形和结构变形
寸的改变引起的失效。 两部分，涉及微观和宏观两个层面。材料变形一般
磨损失效容易理解，识别方便。其失效过程是 属于微观层面，是其内部原子间平衡位置发生变化
构件间相互接触且相对运动，产生的摩擦磨损改变 而显现的变形，它与材料承受的应力和弹性模量有
了表面形状，最终导致失效。因此，只要细致观察构 关。当然，在过载或高温等条件下，材料也会出现大
件表面的摩擦痕迹和磨损形貌，可以把握磨损的基 变形，如果这样，可归为断裂失效模式。结构变形属
本规律及其磨损机理，进而推断出磨损失效的原因。 于宏观层面，反映构件的形状和尺寸发生较大的形
2.1.4 畸变失效模式 变，其不仅与弹性模量和外力有关，还与构件的横截
断裂、腐蚀和磨损是工程材料中常见的3种失效 面惯性矩、结构间连接型式、几何形状及尺寸有着密
模式，这3种模式形貌特殊，辨识清晰，因而获得了 切的相关性。同时，变形是一个中性词，因而有正效
国内外学者的广泛认同。然而，并非所有构件的失 应和负效应。从正效应来看，大多数金属构件是通
效均可以归结为3种失效模式之一。譬如， 薄壁结构 过热变形或冷变形加工成型的，变形在材料的加工、
件、大长径比传动轴、细长型构件、复合材料结构件、 制造中起着重要的作用。例如，金属板材在轧制过
印制电路板等因弯曲变形过大引起的失效案例相当 程中，通过冷轧变形提高材料的强度和硬度。在锻
常见，却难以用上述3种失效模式进行解释。 造工艺中，热加工变形使材料内部组织更加致密，可
针对这一技术问题，笔者基于不同领域发生的 提升材料的力学性能。然而，某些情况下的变形则
大量失效案例开展了深入的分析和比较，提出了一 带来负效应。以车间大型吊车操作为例，其横梁横
种畸变失效模式。畸变失效模式在《美国金属学会 跨在两边的导轨上，承担起吊重物的任务。如果起
手册 第11卷： 失效分析与预防》 中也有相关介绍。 吊的物件过重或偏心承载，横梁的挠度可能超过设
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国内部分学者将其误译为变形失效模式（deformation 计限定的变形临界值（阈值）。此时，横梁的弯曲变
failure mode），这种现象在国内许多失效分析的专 形过大，导致两边车轮的转角超出限定值，车轮将直
著、教科书、手册及论文中随处可见。把畸变失效误 接被卡死，吊车因弯曲变形过大失去移动功能而畸
作为变形失效，原因在于未能准确理解畸变的物理 变失效。显然，把变形失效看作是机械失效模式中
含义。 的一种是不恰当的。
鉴于畸变失效模式目前尚未被广泛认可，甚至 此外，变形与畸变紧密关联，但二者物理含义明
还有误解，因而有必要对其物理含义进行详细的阐 显不同。变形是材料产生应变后的体现。畸变则是
述。这不仅有助于理解薄壁构件和非金属构件失效 变形的极限值，属于不正常的结构变形，超出了设计
背后发生的复杂物理现象，还为失效分析体系夯实 限定的阈值。当构件的变形超过设计限定的阈值，
了基础理论。 如挠度、转角或扭角等，将失去应有的功能而失效。
畸变失效模式是指构件在外力、温度等因素作 从材料学角度看，变形与畸变的关系，类似于应力与
用下，因弹性变形过大不能达到设计规定的功能而 强度的关系。构件承受的应力一旦超过材料的屈服

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