Page 54 - 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

强度或抗拉强度，其塑性变形无法恢复，随后便是失 效机理的桥梁，通过失效形式，把三者有机地联系
效。同样，构件在满足材料强度条件下，因结构的刚 起来，相互推理，相互验证，起到衔接、关联的作用。
度不足，变形超过了畸变的阈值，因弹性变形过大， 当然，对于简单构件，如密封垫片或固定螺母，失效
材料失去设计规定的功能而失效。 形式等同于失效缺陷。对于大型构件的失效，失效
因此，畸变与强度一样，也是判断构件失效的一 形式在失效机理分析时有重要作用。例如，对于以
种材料准则。当构件的弹性变形超过畸变值（设计 外力为主的大直径轧辊及主轴、大型结构件等失效，
限定的阈值）时，由于不能满意地执行设计规定的功 失效形式包含失效源的具体位置和缺陷性质的具体
能而失效。所以，畸变是机械失效模式中的一种，是 描述，为失效分析提供了关键线索和载体。对于非
工程材料的第四种失效模式。 外力引起的非金属构件的失效，失效形式的描述更
2.2 失效形式 为重要。例如，聚合物构件在特殊条件下发生性能
失效形式是指构件失效后失效缺陷的几何位置 老化、微电子器件及功率模块因温度引起封装层开
及其损伤特征，是对失效模式下宏观形貌的具体描 裂，以及复合材料层合板异种界面因物理性能不匹
述。它包含失效缺陷的大小，单位一般在毫米级与 配而分层等。对于此类构件的失效分析，失效形式
微米级之间，这与传统的失效形式含义有所不同。 的详细描述对于确定失效的源头以及产生原因起到
通常而言，有些缺陷如夹杂物、凹坑、气孔、微 关键的作用。
裂纹等，在构件失效后仍然保留在断口上，有的会缺 2.3 失效缺陷
失。比如，化工厂用工艺管子泄漏前的原始缺陷可 失效缺陷是指引起构件开裂或损坏的原始缺
能是夹杂物、凹坑、压痕等，泄漏后缺陷被介质冲刷 陷，例如夹杂物、气孔、偏析、划痕、凹陷、凹坑、微裂
掉。针对此类的失效现象，失效形式的描述显得相 纹等一些缺陷。其中，夹杂物、气孔、偏析是材料冶
当重要，再结合其他的分析方法，如表面分析、介质 炼时留下的原始缺陷；划痕和凹陷是构件在成形或
分析、材料分析、力学分析等，才能精准追溯到失效 热处理时因操作工艺不当引入的加工缺陷；凹坑、微
的源头和起因。举一个简单例子，一台常规热交换 裂纹等是构件在使用中由介质、外力等因素作用产
器的某根管子发生泄漏，留下了破口，失效形式描述 生的服役缺陷。
应包括但不限于以下一些基本信息。 不同类型的缺陷在腐蚀介质、疲劳应力、流体冲
（1）破口位于管子进口侧或出口侧的哪个位置， 刷等苛刻条件下易成为应力集中源，成为材料开裂
是在管板内、管板外，还是在支撑板处。 的源头。因此，失效缺陷的性质鉴别，对于失效原因
（2）破口沿着管子环向的哪个方位，从顺时针方 分析相当重要。关键是精准确定缺陷源头及其性质，
向自上而下的角度位置，倾角有多少。 而非次生缺陷。比如，在应力腐蚀开裂下产生的裂
（3）破口的泄漏方式是从管内向管外、还是从管 纹往往是形状不规则的分叉裂纹，如果不能精确定
外向管内。 位裂纹产生的源头而去分析其他的次生裂纹，其失
（4）破口的形貌，如表面光滑、粗糙，或吸附沉 效分析基本上失去意义。
积物，破口是准圆形、椭圆形或其他特别的形状，其 总之，失效形式与失效缺陷存在内在联系。失
面积和尺寸有多大。 效形式涉及的是一个面，包括缺陷位置及其损伤特
（5）破口边缘周围是否有异物，是否发生变 征，失效缺陷涉及的通常是一个点，失效形式包含失
形等。 效缺陷，反之不亦然。失效形式为失效机理、失效原
根据破口失效形式的描述，再结合热交换器的 因等提供了分析载体和具体细节，比失效缺陷提供
工艺参数，如温度、压力、流速、介质、运维方式等， 了更完整的信息。
才能初步判定破口是由哪些因素产生的，然后确定 2.4 失效机理
具体的分析方向。例如采用微区分析、表面分析、介 失效机理是指构件在失效过程中材料所经历的
质分析等，为找到破口的产生原因提供指导性意见。 物理、化学等多方面相互作用的损伤演变过程。它
需要强调的是，失效形式不仅包含缺陷的几何位置 涵盖了材料从微观、细观到宏观多层次变化，包括材
和尺寸大小，还包含缺陷本身的性质及特点，因而缺 料内部微观结构的改变、化学成分的扩散、迁移及反
陷描述得越具体、越详细，后续的深度分析越有效。 应、力学性能的逐步退化等。这些因素的相互作用，
此外，失效形式是连接失效模式、失效缺陷及失 导致构件的性能下降，最终不能满足设计规定的性

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