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嘉峪檢測網 2025-03-12 16:20
失效分析作為一門不斷發展中的綜合性學科，其價值和作用遠不止對產品在使用中發生的失效進行事后分析，它能夠貫穿產品的全壽命周期，從設計、研制、組裝到運行、維護、管理等不同環節進行事前分析、事中分析和事后分析，實現對產品結構完整性的全面評定。更重要的是，它在新產品設計、新材料研發、現有材料改性、加工工藝改進、產品質量控制、可靠性提高、結構系統優化、運維策略制定，以及安全監督管理等各個環節，從理論上指明了改進的方向，通過創新驅動，服務于新質生產力。
然而，現有的失效分析體系有待拓展和完善。一方面，大量的失效案例在充實和豐富失效分析內容的同時，對現有體系也提出了新的要求，以應對各種復雜失效問題的分析和預防。另一方面，隨著材料技術和加工工藝的不斷進步，越來越多的高性能工程材料應用于不同工業領域，其失效機理變得復雜又多樣。以新型復合材料和納米材料為例，它們憑借其獨特的性能在許多領域獲得了應用。然而，其失效行為采用現有的失效分析體系難以解釋。改性的高密度聚乙烯塑料無需纖維增強，就能替代金屬材料作為特種管道，目前已規?；瘧糜诤穗娬救芈饭艿?、城市燃氣管道、防腐蝕輸送管道等工業領域。但是，在實際使用中，一些新的失效現象如性能的劣化、退化、脆化、老化等逐漸顯現，需要開展深入的研究和分析。因此，現有的失效分析體系需要充實和完善，以提供更完整的分析體系，這是工程上的迫切需求，也是技術進步的必然。
對此，筆者探究了現有失效分析體系存在的問題，以促進其完善和發展。首先，評述了失效的多種定義，在此基礎上提出了失效的新定義，以深刻理解失效的本質。然后，給出了失效模式的新分類，闡明失效模式的物理含義和特點。采用提出的畸變失效模式取代以往常用的變形失效模式，論述畸變與變形的本質區別及其內在聯系，使失效分析能夠涵蓋和解釋更復雜的失效現象。隨后，引入“五要素”概念，即失效模式、失效形式、失效缺陷、失效機理和失效原因，構建出失效分析新體系，失效形式的嵌入使得該體系更加完整。接著，闡述了失效模式與失效機理的區別，強調失效機理是失效分析的關鍵。最后，給出金屬材料失效模式與失效機理相互關系的新表述，揭示出不同的失效機理對應于不一樣的失效原因。
1.失效的新定義
結構系統是由不同類型的構件通過合理搭配連接而成的。構件（component）是結構系統中具備特定功能的可更換單元。它既可以是不可拆分的單一零件，也可以是由多個零件連接而成且不會發生相對運動的組合體。就管路系統而言，直管用來輸送介質，彎管用于改變介質流向，變徑管用作調整介質流速，多通管用做介質分流，不同的構件賦予不同的功能。
構件是由各類工程材料制成的，材料是保障其安全使用的基礎。然而，構件在使用過程中可能出現意外失效的情況。其原因可能源于設計環節的不合理、材料的品質一般、加工與制造過程中的工藝失誤、安裝過程中的不規范操作等原始缺陷，也可能是在使用過程中因腐蝕、磨損、疲勞、蠕變、輻照等因素而產生的次生缺陷。失效分析是用來確定材料缺陷產生的源頭，通過對缺陷特有的“指紋”或“基因”進行深入的分析，最終能夠追溯并找到失效的根本原因。
從材料學視角來看，失效的本質是一個值得探究和思考的基本問題。只有深刻理解失效的物理含義，才能真正洞察失效的本質，揭示失效的源頭及其演變過程，找到失效的根本原因，從而針對性地采取整改措施，防止同類失效的再次發生。
然而，在當前公開的眾多文獻中，失效的定義往往因主體不同而有所差異。不同行業的學者基于各自的研究領域，對失效有著不一樣的定義和認識。
《新華字典》是從社會學角度來定義失效的：“失效意味著喪失功效”。這個定義簡潔明了，易于理解，但沒有將失效與材料聯系起來。
國家標準GB/T 3187—1994《可靠性、維修性術語》中對失效是這樣定義的：“產品終止完成規定功能的能力這樣的事件”。這一定義在一定程度上與材料聯系了起來，因為所有有形的產品是由材料制成的，不包括無形的軟件產品。
鐘群鵬院士作為我國失效分析學科創始人之一，其主編的《材料失效診斷、預測和預防》一書中對失效的定義為：“機電產品喪失功能的現象稱為失效”，這個定義與材料直接聯系在一起。而已故材料學大師師昌緒院士主編的《材料大辭典》中對失效的定義則是，“失效，又稱復合材料的破壞，指復合材料在經過某些物理、化學過程后（如外力作用、材料老化、溫度和濕度變化等）發生了尺寸、形狀、性能的變化而喪失了規定的功能”。此定義適用于復合材料，但并不能涵蓋所有材料。
同樣，國外對失效的定義也有不同的認識。最具權威性的定義出自美國金屬學會手冊（ASM Handbook）。2021年更新出版的《美國金屬學會手冊 第11卷：失效分析與預防》中給出如下的定義。
任何服役的構件，若有以下3種狀態之一時，即判定為失效。
（1）已經完全不能運行。
（2）仍可以運行，但不能滿意地執行其設計規定的功能。
（3）已經嚴重惡化，變得不可靠或繼續使用變得不安全。
該定義是基于服役中的構件可能出現的3種不安全狀態提出的，這3種狀態分別是完全失效、部分失效以及即將失效。
由上述內容可以看出，在不同領域中，對于失效的含義存在著不同的理解，且其定義差異性較大。因此，為了實現對失效概念的統一認識，有必要從材料本身的特性出發，對失效進行更科學、準確的定義。筆者從材料學角度出發，給出如下的失效新定義：“失效是指產品因外觀形態或微觀結構發生變化而不能滿意地完成設計規定的功能”，失效新定義的內涵如圖1 所示。這個定義意味著，只要產品（構件）的外觀形態或微觀結構二者之一發生變化，如不能滿足設計規定的功能，則判定為失效。
具體而言，外觀形態是指構件失效后的宏觀形貌及其損傷現象，采用肉眼、相機或手機可以觀察和識別。外觀形態反映了構件失效后的表現形式，其形貌特征對于判定構件的失效類型相當重要，一般分成以下4種狀況。
（1）完全斷裂：構件截面發生整體分離，留下斷口。
（2）局部損傷：由腐蝕、磨損、疲勞、蠕變、輻照等因素引起構件的局部損壞，表現為凹坑、磨痕、孔洞、裂紋、銀紋等缺陷；嚴重時也會斷裂，留下斷口。
（3）變形過大：薄壁構件、傳動部件、復合材料結構件等發生過大的變形，影響其完成預定的功能，嚴重時也會斷裂，留下斷口。
（4）表面變性：電子器件等表面污染、變色等現象。雖然沒有可見的斷口，但表面性質已發生明顯的變化，影響其物理性能。
微觀結構是一個廣泛的概念，具體含義取決于應用的領域。這里定義的微觀結構，是指構件失效時在微納米尺度下材料內部的缺陷形態及其演變過程。由于微觀缺陷尺寸太小，必須借助一些高分辨率顯微分析方法才能觀察清楚，比如掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）、聚焦離子束（FIB）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）、同步輻射（SR）等，揭示微觀缺陷的產生源頭及其損傷演變過程。這些缺陷按照尺寸大小可以分為以下6類。
（1）電子缺陷：電子空穴、電子缺失、電子湮滅、載流子遷移率不均等。
（2）零維缺陷：晶體中的空位、異質，聚合物主鏈的斷鏈、降解、交聯等。
（3）線狀缺陷：晶體中的刃型位錯、螺型位錯、復合位錯等。
（4）面狀缺陷：晶界、亞晶界、孿晶界、相界等缺陷，以及層錯、分層、微裂紋等。
（5）體狀缺陷：夾雜物、氣孔、異物、未熔合、成分偏析等顯微缺陷。
（6）組織退化：碳鋼中珠光體的溶解與石墨化，亞晶粒的回復與再結晶，高溫材料的蠕變損傷，中子輻照后的材料脆化，高溫下單晶鎳基葉片退化為多晶與表界面元素的互擴散，腐蝕介質中材料發生晶間腐蝕、應力腐蝕開裂等。
因此，為了定位構件的失效源，解析材料的失效行為，鑒別失效機理，進而確定失效的根本原因，需要綜合運用多種表征分析方法。這些分析方法從極大到極小兩個方面，對失效源的缺陷形貌、形態、成分、結構，以及應力分布等進行觀察和分析。只有全方位、多層次的剖析，才能確定缺陷產生的源頭及其失效的根本原因。
2.失效分析新體系
失效分析的目的是找到失效的根源，預防同類失效的再次發生。其分析過程必須緊密結合現場調查和檢驗檢測，在對各種數據進行整合和比較后，才能開展綜合性分析。即從宏觀到微觀、從塊體到表面、從無缺陷到有缺陷、從表象到本質，根據邏輯關系，推理和解析失效的主要影響因素，最終確定失效的根本原因。
失效分析并非是簡單的檢驗檢測及其測試結果的對比，而是一項全面、系統且完整的綜合性分析工作。為確保整體分析的科學性與嚴謹性，必須依據科學理論，嚴格遵循主要步驟進行規范操作。在此基礎上，從邏輯關系層面構建起失效模式、失效形式、失效缺陷、失效機理與失效原因的相互關系（見圖2）。因而，失效分析的完整流程通常包含5個關鍵環節：失效模式的初步判定、失效形式的清晰界定、失效缺陷的精準認定、失效機理的科學鑒定以及失效原因的正確確定。這5個環節在失效分析過程中發揮著至關重要的作用，它們相互銜接、相互驗證，共同構成了一套完整的失效分析新體系。
具體而言，失效模式的初步判定是整個分析的起點，它是對失效現象的詳細觀察和描述，為后續分析指明大致方向。失效形式的清晰界定則進一步明確了具體的分析對象及其缺陷的主要性質，為深入探究奠定基礎。失效缺陷的精準認定是整個分析過程中最為關鍵的一步，它直接關系到失效分析是否具有實際意義，必須精準定位到失效的源頭。失效機理的科學鑒定則是通過微區的表征分析以及其他的介質分析、表面分析等，揭示缺陷形成時在材料內部發生的物理、化學等多方面的損傷變化過程及其產生的原因。而失效原因的正確確定則是失效分析的最終目標，它是通過系統完整的綜合分析來決定的，從而為后續改進措施的制定提供可靠的依據。
在這一整體分析過程中，前一個環節為后一個環節提供指引，后一個環節則為前一個環節提供實證和復現，二者相輔相成。通過這種緊密的銜接與相互驗證，失效分析新體系能夠為失效原因的確定提供堅實的理論依據和可靠的數據支持，從而為解決方案的制定奠定基礎。
2.1 失效模式
失效模式是構件失效后的外觀表現形式。對于結構材料，失效模式指的是構件失效后呈現的宏觀形貌特征及其損傷現象，也稱失效類型。對于電子材料，失效模式是指器件失效后的外在表現形式。
一般而言，失效模式是對構件失效后的表觀現象進行大致描述，比如斷裂、腐蝕、磨損等。不論是結構材料還是功能材料，失效模式均相當直觀，反映構件失效后的表現現象。它既不涉及失效機理，也不涉及失效原因，僅是失效現象的概要描述，不論及為什么失效。然而，國內一些學者未能正確理解失效模式的物理含義，不恰當地將其視為失效分析的核心。有的將失效模式劃分為一級、二級、三級、四級等不同級別；也有的將失效機理和失效原因誤作為失效模式的組成部分；還有的認為只要失效模式描述清楚，等于找到了失效原因。這種對失效模式物理概念的混淆，誤導了一些失效分析工作的初學者。因此，很有必要正本清源，對失效模式的物理含義進行科學解釋，揭示其物理本質。
事實上，通過目視檢查或手機拍照的方式，就可以初步識別失效模式，大致判斷出構件屬于哪種類型的失效，無需借助其他的物理分析方法。根據大量的失效案例呈現的失效形貌特征，工程材料的失效模式一般分為4個大類：斷裂失效模式（fracture failure mode）；腐蝕失效模式（corrosion failure mode）；磨損失效模式（wear fracture failure mode）；畸變失效模式（distortion failure mode）。其中，畸變失效模式是筆者近10年在國內外失效分析學術會議上提出的。
失效模式類型多樣，一般與外力作用、材料性質、使用條件、結構型式等有很大關系。根據不同學科的性質，失效模式也可以稱為機械失效模式、材料失效模式、物理失效模式、化學失效模式、電氣失效模式、電子失效模式、軟件失效模式、衰減失效模式、環境失效模式、生物失效模式、管理失效模式等。文章聚焦的是與外力密切相關的、應用最為廣泛的機械失效模式或材料失效模式。
2.1.1 斷裂失效模式
斷裂失效模式是指構件在外力作用下發生斷裂引起的失效，形貌特征顯示在斷口上。
根據斷口形貌特征，比如變形程度、凹坑分布、平整度、粗糙度及顏色等，斷裂失效模式進一步分為脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂等。這是對斷口形貌特征的進一步描述，有時稱為斷裂的二級失效模式。
斷裂失效模式是以斷口形貌為分析對象，通過細致的觀察和分析，初步辨別失效類型，為后續研究提供大致的分析方向。然而，構件發生意外的失效有時是多因素引起的，因而失效模式呈現混合型形態。例如，斷口上有斷裂與腐蝕、斷裂與磨損、斷裂與畸變、腐蝕與磨損、磨損與畸變等交互作用留下的復雜形態。在這種情況下，失效模式的識別變得困難，稍有不慎，有可能把主因和次因的關系顛倒。因此，針對多因素引起的失效，失效模式的判定需要結合運行條件和微觀分析，再通過失效機理的鑒別，最后才能確定是什么樣的失效模式。如果失效模式判定有誤，隨后的研究會遇到極大的麻煩，邏輯關系不清晰將會對失效原因誤判。這也是現實中有那么多重復失效案例發生的原因。
因此，雖然失效模式是宏觀的，識別相對容易，但辨別時仍需觀察細致，辨識精準，做到失效模式的判斷正確。
2.1.2 腐蝕失效模式
腐蝕失效模式是指構件與介質發生電化學反應或化學反應，導致其表面減薄或穿孔引起的失效。
腐蝕失效模式展現的是構件在介質、環境等作用下引起的失效現象，不是以外力為主引起的失效。因此，通過觀察構件表面凹凸不平形貌及其成分分析，再結合介質分析和材料分析，可以推測其經歷的腐蝕過程與腐蝕機理，進而追溯失效的根本原因。
2.1.3 磨損失效模式
磨損失效模式是指構件與另一構件或介質相互接觸且相對運動時，由表面持續損耗導致形狀和尺寸的改變引起的失效。
磨損失效容易理解，識別方便。其失效過程是構件間相互接觸且相對運動，產生的摩擦磨損改變了表面形狀，最終導致失效。因此，只要細致觀察構件表面的摩擦痕跡和磨損形貌，可以把握磨損的基本規律及其磨損機理，進而推斷出磨損失效的原因。
2.1.4 畸變失效模式
斷裂、腐蝕和磨損是工程材料中常見的3種失效模式，這3種模式形貌特殊，辨識清晰，因而獲得了國內外學者的廣泛認同。然而，并非所有構件的失效均可以歸結為3種失效模式之一。譬如，薄壁結構件、大長徑比傳動軸、細長型構件、復合材料結構件、印制電路板等因彎曲變形過大引起的失效案例相當常見，卻難以用上述3種失效模式進行解釋。
針對這一技術問題，筆者基于不同領域發生的大量失效案例開展了深入的分析和比較，提出了一種畸變失效模式?；兪Ｊ皆凇睹绹饘賹W會手冊 第11 卷：失效分析與預防》中也有相關介紹。國內部分學者將其誤譯為變形失效模式（deformation failure mode），這種現象在國內許多失效分析的專著、教科書、手冊及論文中隨處可見。把畸變失效誤作為變形失效，原因在于未能準確理解畸變的物理含義。
鑒于畸變失效模式目前尚未被廣泛認可，甚至還有誤解，因而有必要對其物理含義進行詳細的闡述。這不僅有助于理解薄壁構件和非金屬構件失效背后發生的復雜物理現象，還為失效分析體系夯實了基礎理論。
畸變失效模式是指構件在外力、溫度等因素作用下，因彈性變形過大不能達到設計規定的功能而失效。顧名思義，畸變是一種大變形，是指超過了設計限定的結構變形的極限值即閾值。從物理學角度來看，畸變失效是指構件在滿足材料強度的前提下，因結構的剛度不足發生了過大的彈性變形，導致構件間連接失去匹配性，最終不能完成設計規定的功能而失效。在有些情況下，畸變失效也會引起構件的斷裂。例如，在野外作業的大型起重機，其吊臂因結構變形過大發生偏斜，承載應力重新分布，從原來的拉彎承載方式轉變為拉彎扭復雜承載方式，最終導致吊臂斷裂，呈現斷裂與畸變的混合型失效形貌。還有，像復合材料結構件和微電子器件，在完全滿足材料強度的條件下，材料因溫度應力產生過大的彎曲變形或翹曲變形而失效。
事實上，構件的變形包含材料變形和結構變形兩部分，涉及微觀和宏觀兩個層面。材料變形一般屬于微觀層面，是其內部原子間平衡位置發生變化而顯現的變形，它與材料承受的應力和彈性模量有關。當然，在過載或高溫等條件下，材料也會出現大變形，如果這樣，可歸為斷裂失效模式。結構變形屬于宏觀層面，反映構件的形狀和尺寸發生較大的形變，其不僅與彈性模量和外力有關，還與構件的橫截面慣性矩、結構間連接型式、幾何形狀及尺寸有著密切的相關性。同時，變形是一個中性詞，因而有正效應和負效應。從正效應來看，大多數金屬構件是通過熱變形或冷變形加工成型的，變形在材料的加工、制造中起著重要的作用。例如，金屬板材在軋制過程中，通過冷軋變形提高材料的強度和硬度。在鍛造工藝中，熱加工變形使材料內部組織更加致密，可提升材料的力學性能。然而，某些情況下的變形則帶來負效應。以車間大型吊車操作為例，其橫梁橫跨在兩邊的導軌上，承擔起吊重物的任務。如果起吊的物件過重或偏心承載，橫梁的撓度可能超過設計限定的變形臨界值（閾值）。此時，橫梁的彎曲變形過大，導致兩邊車輪的轉角超出限定值，車輪將直接被卡死，吊車因彎曲變形過大失去移動功能而畸變失效。顯然，把變形失效看作是機械失效模式中的一種是不恰當的。
此外，變形與畸變緊密關聯，但二者物理含義明顯不同。變形是材料產生應變后的體現?；儎t是變形的極限值，屬于不正常的結構變形，超出了設計限定的閾值。當構件的變形超過設計限定的閾值，如撓度、轉角或扭角等，將失去應有的功能而失效。從材料學角度看，變形與畸變的關系，類似于應力與強度的關系。構件承受的應力一旦超過材料的屈服強度或抗拉強度，其塑性變形無法恢復，隨后便是失效。同樣，構件在滿足材料強度條件下，因結構的剛度不足，變形超過了畸變的閾值，因彈性變形過大，材料失去設計規定的功能而失效。
因此，畸變與強度一樣，也是判斷構件失效的一種材料準則。當構件的彈性變形超過畸變值（設計限定的閾值）時，由于不能滿意地執行設計規定的功能而失效。所以，畸變是機械失效模式中的一種，是工程材料的第四種失效模式。
2.2 失效形式
失效形式是指構件失效后失效缺陷的幾何位置及其損傷特征，是對失效模式下宏觀形貌的具體描述。它包含失效缺陷的大小，單位一般在毫米級與微米級之間，這與傳統的失效形式含義有所不同。
通常而言，有些缺陷如夾雜物、凹坑、氣孔、微裂紋等，在構件失效后仍然保留在斷口上，有的會缺失。比如，化工廠用工藝管子泄漏前的原始缺陷可能是夾雜物、凹坑、壓痕等，泄漏后缺陷被介質沖刷掉。針對此類的失效現象，失效形式的描述顯得相當重要，再結合其他的分析方法，如表面分析、介質分析、材料分析、力學分析等，才能精準追溯到失效的源頭和起因。舉一個簡單例子，一臺常規熱交換器的某根管子發生泄漏，留下了破口，失效形式描述應包括但不限于以下一些基本信息。
（1）破口位于管子進口側或出口側的哪個位置，是在管板內、管板外，還是在支撐板處。
（2）破口沿著管子環向的哪個方位，從順時針方向自上而下的角度位置，傾角有多少。
（3）破口的泄漏方式是從管內向管外、還是從管外向管內。
（4）破口的形貌，如表面光滑、粗糙，或吸附沉積物，破口是準圓形、橢圓形或其他特別的形狀，其面積和尺寸有多大。
（5）破口邊緣周圍是否有異物，是否發生變形等。
根據破口失效形式的描述，再結合熱交換器的工藝參數，如溫度、壓力、流速、介質、運維方式等，才能初步判定破口是由哪些因素產生的，然后確定具體的分析方向。例如采用微區分析、表面分析、介質分析等，為找到破口的產生原因提供指導性意見。需要強調的是，失效形式不僅包含缺陷的幾何位置和尺寸大小，還包含缺陷本身的性質及特點，因而缺陷描述得越具體、越詳細，后續的深度分析越有效。
此外，失效形式是連接失效模式、失效缺陷及失效機理的橋梁，通過失效形式，把三者有機地聯系起來，相互推理，相互驗證，起到銜接、關聯的作用。當然，對于簡單構件，如密封墊片或固定螺母，失效形式等同于失效缺陷。對于大型構件的失效，失效形式在失效機理分析時有重要作用。例如，對于以外力為主的大直徑軋輥及主軸、大型結構件等失效，失效形式包含失效源的具體位置和缺陷性質的具體描述，為失效分析提供了關鍵線索和載體。對于非外力引起的非金屬構件的失效，失效形式的描述更為重要。例如，聚合物構件在特殊條件下發生性能老化、微電子器件及功率模塊因溫度引起封裝層開裂，以及復合材料層合板異種界面因物理性能不匹配而分層等。對于此類構件的失效分析，失效形式的詳細描述對于確定失效的源頭以及產生原因起到關鍵的作用。
2.3 失效缺陷
失效缺陷是指引起構件開裂或損壞的原始缺陷，例如夾雜物、氣孔、偏析、劃痕、凹陷、凹坑、微裂紋等一些缺陷。其中，夾雜物、氣孔、偏析是材料冶煉時留下的原始缺陷；劃痕和凹陷是構件在成形或熱處理時因操作工藝不當引入的加工缺陷；凹坑、微裂紋等是構件在使用中由介質、外力等因素作用產生的服役缺陷。
不同類型的缺陷在腐蝕介質、疲勞應力、流體沖刷等苛刻條件下易成為應力集中源，成為材料開裂的源頭。因此，失效缺陷的性質鑒別，對于失效原因分析相當重要。關鍵是精準確定缺陷源頭及其性質，而非次生缺陷。比如，在應力腐蝕開裂下產生的裂紋往往是形狀不規則的分叉裂紋，如果不能精確定位裂紋產生的源頭而去分析其他的次生裂紋，其失效分析基本上失去意義。
總之，失效形式與失效缺陷存在內在聯系。失效形式涉及的是一個面，包括缺陷位置及其損傷特征，失效缺陷涉及的通常是一個點，失效形式包含失效缺陷，反之不亦然。失效形式為失效機理、失效原因等提供了分析載體和具體細節，比失效缺陷提供了更完整的信息。
2.4 失效機理
失效機理是指構件在失效過程中材料所經歷的物理、化學等多方面相互作用的損傷演變過程。它涵蓋了材料從微觀、細觀到宏觀多層次變化，包括材料內部微觀結構的改變、化學成分的擴散、遷移及反應、力學性能的逐步退化等。這些因素的相互作用，導致構件的性能下降，最終不能滿足設計規定的性能而失效。
以腐蝕失效模式為例，失效機理有電偶腐蝕、縫隙腐蝕、點蝕、應力腐蝕開裂等，這些腐蝕機理的產生原因各不相同，而失效模式卻是相同的。由此可以看出，失效模式是構件失效后的外觀表現形式，即失效是什么，是對失效原因的初步判斷。而失效機理是揭示構件在失效過程中材料內部缺陷的產生源頭及其損傷演變過程，即為什么失效，因而失效機理是確定失效原因的關鍵。
總之，失效機理涉及材料微區的缺陷源頭及其損傷演變過程，需要有效地應用材料、物理、化學、力學、工程學等多學科交叉的綜合知識和研究能力進行表征分析。材料缺陷產生之初一般是微納米尺度，必須借助電子束、離子束、中子束、同步輻射等高分辨率物理分析方法，才能觀察微納米尺度下的損傷源頭及其損傷過程。就尺寸來說，失效機理與失效模式的關系類似于微觀與宏觀的關系，兩者相差巨大，但又緊密聯系。比如，疲勞應力引起的構件失效，其斷口在微觀尺度上留下疲勞輝紋，在宏觀尺度上表現為貝殼紋線，前者需要電子束等才能辨別，后者通過目測識別。只有通過失效機理分析，才能將外部因素如外力、介質、溫度、濕度、環境等對材料損傷過程的影響，包括組織結構、化學成分、表面狀態、應力分布及其變形等損傷過程有機地聯系起來。
因此，失效機理鑒定是失效分析過程中最有創新的工作，需要定位精準，觀察細致，分析得當，這樣才能夠分析清楚材料微區的損傷演變過程，為找到失效原因提供理論依據和可靠證據，堪稱是失效分析研究的核心。
2.5 失效原因
失效原因是指引起構件失效的關鍵因素，分為根本原因( 主要原因)、次要原因和相關原因。例如，電化學腐蝕、疲勞載荷、接觸磨損、外力超載等。準確判定哪個因素是根本原因，要以失效缺陷為源頭，對缺陷的形態、組成、成分、相組織、變形等進行深入的分析，鑒別出哪種失效機理，隨后給出不同因素產生的影響，按其影響大小分別列出，明確失效的根本原因、次要原因和相關原因。
3.失效模式與失效機理相互關系的新表述
一些學者基于不同領域的失效案例和經驗總結，嘗試建立起失效模式、失效機理與失效原因的相互關系。美國電力研究協會（美國電力研究院）率先結合大量失效案例對火電廠鍋爐系統開展分析和總結，針對鍋爐系統“四管”的省煤器管、再熱器管、水冷壁管、過熱器管等常見的失效現象，采用斷裂、腐蝕、磨損三種失效模式關聯了失效模式、失效機理與失效原因的相互關系，為火電行業管道失效原因的診斷提供了基礎。
近十年來，筆者承擔完成了12個行業委托的眾多重大失效分析課題，分析了不同的失效機理，并分享了研究結果。經過認真比對、凝練和分類，給出了金屬材料失效模式與失效機理相互關系的新表述（見圖3）。在這一新表述中，除了增加許多新的失效機理外，還采用畸變失效模式取代了變形失效模式。2013年9月，在大連舉行的“第五屆全國失效分析學術會議”做的大會報告提出了新表述。2022年7月，在“第九屆國際工程失效分析會議（ICEFA IX）”做的大會主旨報告中又有進一步論述，從而為失效分析新體系的建立奠定了基礎。
金屬材料失效模式與失效機理的相互關系如圖3所示，左側兩列是失效模式的分級類型。其中，一級失效模式包含斷裂、腐蝕、磨損、畸變4種失效模式，二級失效模式是依據斷口或缺陷形貌特征對一級失效模式的進一步細化，實際上就是前述失效形式的一部分。右側是與4 種失效模式對應的不同類型的失效機理。這些失效機理顯示出失效過程的多樣化和復雜化，從微觀上反映了材料性質、加載方式、工藝介質、環境條件等多因素作用下的不同損傷過程，顯現出不同條件下的不同失效行為，隱含不一樣的產生原因。需要指出的是，一些相近的失效機理如腐蝕，在宏觀上卻呈現出相同的腐蝕失效模式。這進一步表明，失效模式是失效原因的初步判定，失效機理與失效原因直接關聯在一起，是失效分析的核心。
一般而言，失效模式反映了構件在宏觀尺度下的失效現象，失效機理揭示了材料在微觀尺度下的失效行為，二者的尺寸相差了103~106數量級。顯然，在失效模式與失效機理之間，還有一個銜接它們的物理參量，尺寸單位介于毫米與微米之間，這就是失效形式。因此，失效形式如同一座橋梁，將兩側的失效模式與失效機理連接了起來，失效機理把失效模式、失效形式、失效原因聯系了起來。
以下就圖3所示的4種失效模式與對應的失效機理的物理含義進行概要陳述。
3.1 斷裂失效模式與失效機理
斷裂失效模式是與外力有關的失效現象。
依據斷口的宏觀形貌及其變形狀態，斷裂失效模式一般分為脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂等4種。
（1）脆性斷裂
脆性斷裂的形貌特征顯著，斷口上無明顯可見的塑性變形，表面光滑，外觀為齊平式。微觀層面表現為解理型形態，一些高強合金鋼、厚截面結構件等在特殊環境下的斷裂常常呈現此特征。對應的失效機理包括解理斷裂、厚截面斷裂、沿晶斷裂、低溫脆斷、輻照脆化、氫脆開裂等。
（2）韌性斷裂
韌性斷裂亦稱延性斷裂或塑性斷裂，其斷口有明顯可見的塑性變形，表面粗糙，宏觀上為杯錐形變形形貌，微觀上是不平整的韌窩形態。大多數碳鋼和低強度合金鋼斷裂時展現此特征，其失效機理主要有大變形斷裂、韌窩斷裂、塑性斷裂等。
處在脆性斷裂與韌性斷裂之間的斷口形態稱為韌脆性斷裂。斷口上有部分結晶狀脆性斷裂和部分纖維狀韌性斷裂。例如，在低溫環境下，普通碳鋼受到沖擊力作用時，將有韌性斷裂與脆性斷裂混合型斷口形貌。當然，韌脆性斷裂的韌脆性面積比例與材料本身的韌性大小及其沖擊力速度有著依賴關系。
（3）疲勞斷裂
疲勞斷裂是指構件在交變應力作用下發生低應力的脆性斷裂。斷口上有明顯的貝殼紋線，微觀上有疲勞輝紋，記錄了交變應力作用下應力幅值、應力大小及循環次數等重要信息。與靜載斷裂相比，疲勞斷裂基本上沒有可見的塑性變形，表面基本平整，呈現脆性斷裂的典型形貌。
疲勞斷口通常有3 個特征：一是有裂紋起裂區、疲勞擴展區和瞬時斷裂區；二是裂紋起始于缺陷處或應力集中區，裂紋在這些薄弱處萌生；三是裂紋疲勞擴展區表面平坦，呈現貝殼紋線，斷裂區有撕裂痕跡，凹凸不平，呈現特有的斷裂形貌。
根據交變應力的大小及其使用條件，疲勞斷裂對應的失效機理復雜多樣，一般包括應力疲勞、應變疲勞、交變疲勞、高周疲勞、低周疲勞、腐蝕疲勞等。
（4）蠕變斷裂
蠕變斷裂是指材料在長期恒定高溫、恒定應力的作用下，逐漸發生緩慢的蠕變變形并形成蠕變孔洞，最終引起斷裂。其斷口相對平整，宏觀上有可見的蠕變孔洞及其連體形貌，微觀上蠕變孔洞分布在晶界上，部分也會出現在晶內。例如，超超臨界火電機組主蒸汽管道、航空發動機渦輪葉片等構件的蠕變斷裂占有一定比例。高溫下若外力有交替變化，還會出現蠕變與疲勞的交互作用。若接觸的介質中含有腐蝕成分，如燃氣輪機中的SO2氣氛，形成了腐蝕與氧化、腐蝕與蠕變的交互作用。因此，蠕變斷裂對應的失效機理主要有高溫蠕變、蠕變疲勞、蠕變腐蝕等。
3.2 腐蝕失效模式與失效機理
腐蝕失效模式是與化學反應和電化學反應有關的失效現象。
金屬作為一種結構件，材料內部并不完整，性能不太均勻，不同微區間的物理性能有所差異，因而存在電極電位差，使金屬與介質容易相互作用產生腐蝕。
按照腐蝕的基本原理，腐蝕一般分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩類。
（1）化學腐蝕
化學腐蝕是指材料與介質發生反應的過程中沒有電流產生。具體來說，它是材料發生氧化還原反應，然后被氧化損耗的一種腐蝕形式。例如，化工廠中氯氣在加熱條件下與鋼鐵直接反應，生成氯化鐵，導致構件表面不斷損耗、壁厚減薄。其化學反應式為
化學腐蝕主要發生在高溫氣氛以及與化學介質相接觸的腐蝕環境中。因此，高溫條件下材料可能遭受高溫氧化、高溫碳化，以及不同金屬在特定腐蝕介質中的化學腐蝕。
（2）電化學腐蝕
工程材料中最常見的腐蝕是電化學腐蝕。電化學腐蝕是指材料與介質發生電化學反應引起的材料損耗現象。此類腐蝕有正負電極及其電解質溶液。例如，鋼鐵在潮濕大氣中的電化學腐蝕主要是吸氧腐蝕，電極反應和總反應方程式為
陽極反應（氧化反應）
陰極反應（還原反應）
總反應方程式為
在電化學反應過程中，陽極處鐵原子失去電子，發生氧化反應生成二價鐵離子Fe2+，陰極處氧與水獲得電子后還原為OH-，先生成氫氧化亞鐵Fe(OH)2，然后，氫氧化亞鐵再與氧和水結合氧化為氫氧化鐵Fe(OH)3，最終脫水后生成鐵銹Fe2O3。
電化學腐蝕機理非常復雜，包括許多不同類型的腐蝕形式。其腐蝕失效機理主要有均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、點蝕、選擇性腐蝕、應力腐蝕開裂、流體加速腐蝕、疲勞腐蝕、磨損腐蝕、氫腐蝕、堿腐蝕、微生物腐蝕、熔鹽腐蝕等。
3.3 磨損失效模式與失效機理
磨損失效模式是與磨損有關的失效現象。
就動配合構件而言，接觸過程中有滾動、滑動、微動等主要磨損行為，各種軸承和齒輪在實際運行過程中往往經歷一種或多種磨損行為。磨損失效行為涉及多學科交叉領域，涵蓋冶金學、材料學、表面技術、機械學、固體力學、潤滑學、表面化學、表面物理、摩擦學等諸多學科。
根據構件的磨損行為和運動方式，磨損失效機理可以分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、接觸磨損、滾動磨損、滑動磨損、微動磨損、腐蝕磨損、沖擊磨損、沖刷磨損、沖蝕磨損、電蝕磨損等。
3.4 畸變失效模式與失效機理
畸變失效模式是一種與變形過大有關的失效現象。
畸變失效形式多樣。從材料角度看，涉及彈性變形、彈塑性變形、塑性變形、粘彈性變形、高彈性變形及熱變形等。從結構角度看，涉及撓曲變形、彎曲變形、扭曲變形、翹曲變形、屈曲變形（失穩褶曲）等。從變形形態看，畸變表現為尺寸畸變、形狀畸變，以及二者組合的復合畸變。
因此，畸變失效機理包括彈性變形、彈塑性變形、塑性變形、粘彈性變形、高彈性變形、熱變形、撓曲變形、彎曲變形、扭曲變形、翹曲變形、屈曲變形等。其中，撓曲變形、彎曲變形、扭曲變形、翹曲變形及屈曲變形屬于結構變形，容易引起構件形狀與尺寸的顯著改變。
4.結論
（1）評述了失效的不同定義，并從材料學角度提出了失效的新定義。闡述了與失效有關的外觀形態和微觀結構的物理含義及其損傷特征，從而深刻理解失效的本質。
（2）重新分類失效模式，采用提出的畸變失效模式取代以往常用的變形失效模式。闡述了畸變失效模式的物理含義及其特點，將畸變與斷裂、腐蝕、磨損三種失效模式一起并列，成為工程材料的第四種失效模式，從而涵蓋和解釋更為復雜的失效現象。
（3）通過引入“五要素”概念，即失效模式、失效形式、失效缺陷、失效機理和失效原因，構建了失效分析新體系，使其成為失效分析的基礎。其中，失效形式的嵌入為該體系提供了堅實的理論支撐。
（4）論述了失效模式與失效機理的本質區別及其相互關系。明確了失效模式是失效現象的外在表現形式，而失效機理是導致失效模式出現的內在根源，是失效現象背后在材料內部發生的物理、化學等多方面相互作用的損傷變化過程，因而能夠追溯到失效原因的根本。
（5）給出了金屬材料失效模式與失效機理相互關系的新表述。不同的失效模式下對應不同的失效機理，而不同的失效機理與失效原因相聯系，從而能夠追溯到失效的根本原因。
（6）重塑失效分析體系的目的是構建一套系統、完整且高效的綜合性分析方法。通過分析“五要素”及其相互關系，不僅能夠確保分析結論快速、準確，而且解決方案簡單、高效，從而避免同類失效的重復發生，進而提升產品質量及其安全可靠性。
來源：理化檢驗物理分冊
