Page 55 - 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

能而失效。 到失效原因提供理论依据和可靠证据，堪称是失效
以腐蚀失效模式为例，失效机理有电偶腐蚀、缝 分析研究的核心。
隙腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂等，这些腐蚀机理的产 2.5 失效原因
生原因各不相同，而失效模式却是相同的。由此可 失效原因是指引起构件失效的关键因素，分为
以看出，失效模式是构件失效后的外观表现形式，即 根本原因(主要原因)、次要原因和相关原因。例如，
失效是什么，是对失效原因的初步判断。而失效机 电化学腐蚀、疲劳载荷、接触磨损、外力超载等。准
理是揭示构件在失效过程中材料内部缺陷的产生源 确判定哪个因素是根本原因，要以失效缺陷为源头，
头及其损伤演变过程，即为什么失效，因而失效机理 对缺陷的形态、组成、成分、相组织、变形等进行深
是确定失效原因的关键。 入的分析，鉴别出哪种失效机理，随后给出不同因素
总之，失效机理涉及材料微区的缺陷源头及其 产生的影响，按其影响大小分别列出，明确失效的根
损伤演变过程，需要有效地应用材料、物理、化学、 本原因、次要原因和相关原因。
力学、工程学等多学科交叉的综合知识和研究能力 3 失效模式与失效机理相互关系的新表述
进行表征分析。材料缺陷产生之初一般是微纳米尺
一些学者基于不同领域的失效案例和经验总
度，必须借助电子束、离子束、中子束、同步辐射等
结，尝试建立起失效模式、失效机理与失效原因的相
高分辨率物理分析方法，才能观察微纳米尺度下的
互关系。美国电力研究协会（美国电力研究院）率先
损伤源头及其损伤过程。就尺寸来说，失效机理与
结合大量失效案例对火电厂锅炉系统开展分析和总
失效模式的关系类似于微观与宏观的关系，两者相
结，针对锅炉系统“四管”的省煤器管、再热器管、水
差巨大，但又紧密联系。比如，疲劳应力引起的构
冷壁管、过热器管等常见的失效现象，采用断裂、腐
件失效，其断口在微观尺度上留下疲劳辉纹，在宏观
蚀、磨损三种失效模式关联了失效模式、失效机理与
尺度上表现为贝壳纹线，前者需要电子束等才能辨
失效原因的相互关系，为火电行业管道失效原因的
别，后者通过目测识别。只有通过失效机理分析，才
诊断提供了基础。
能将外部因素如外力、介质、温度、湿度、环境等对
近十年来，笔者承担完成了12个行业委托的众
材料损伤过程的影响，包括组织结构、化学成分、表
多重大失效分析课题，分析了不同的失效机理，并
面状态、应力分布及其变形等损伤过程有机地联系
分享了研究结果 [10-53] 。经过认真比对、凝练和分类，
起来。
给出了金属材料失效模式与失效机理相互关系的新
因此，失效机理鉴定是失效分析过程中最有创
表述（见图3）。在这一新表述中，除了增加许多新
新的工作，需要定位精准，观察细致，分析得当，这
的失效机理外，还采用畸变失效模式取代了变形失
样才能够分析清楚材料微区的损伤演变过程，为找
脆性断裂 解理断裂、厚截面断裂、沿晶断裂、低温脆断、辐照脆化、氢脆开裂等
理 机 效 金 相 的 失 效 失 属 与 式 模 互 系 关
韧性断裂 大变形断裂、韧窝断裂、塑性断裂等
断裂
疲劳断裂 应力疲劳、应变疲劳、腐蚀疲劳、交变疲劳、高周疲劳、低周疲劳等

蠕变断裂 高温蠕变、蠕变疲劳、腐蚀蠕变等

化学腐蚀 高温氧化、高温碳化、金属与特定腐蚀介质的反应等
腐蚀
均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂、选
电化学腐蚀 择性腐蚀、疲劳腐蚀、磨损腐蚀（冲蚀、气蚀）、氢腐蚀、碱腐蚀、流
体加速腐蚀、电腐蚀、微生物腐蚀、熔盐腐蚀等
粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、接触磨损、滚动磨损、滑动磨损、微动磨损、腐蚀磨
磨损
损、冲击磨损、冲刷磨损、冲蚀磨损、电蚀磨损等

弹性变形、弹塑性变形、塑性变形、粘弹性变形、高弹性变形、热变形、挠曲变形、弯
畸变
曲变形、扭曲变形、翘曲变形、屈曲变形等
图 3 金属材料失效模式与失效机理的相互关系
43