2.1.2 失效分析學科簡介

1.失效分析的主要分支學科

（1）斷口學 斷口是產品或試樣在使用和試驗過程中發生斷裂（或形成裂紋后打斷）所形成的斷面。斷口的形貌特征記錄了材料在載荷和環境作用下不可逆變形，以及裂紋萌生和擴展直至斷裂的全過程。斷口學就是通過定性和定量分析來識別這些特征，并將這些特征與發生損傷乃至最終失效的過程聯系起來，從而找出與失效相關的內在或外在原因的科學技術。

目前，雖然斷口學已得到很大的發展，但仍存在一些問題，如斷口分析基本上是以定性為主，定量分析手段不完善；另外，由于科技的發展使得新材料不斷涌現，也使得新材料的斷口特征及其在特殊環境下的斷裂行為與其斷口特征內在聯系，一直是一個亟待研究的課題。

斷裂、腐蝕、磨損和變形是機械裝備構件最主要的失效，而斷裂是危害性最大的一種。

（2）痕跡學 痕跡是一個含義豐富、歷史悠久、應用甚多的概念。痕跡學廣泛應用于考古研究和刑事偵探，在刑事檢查中首先發展起來的是指紋痕跡分析法。

痕跡是環境作用于系統，在系統表面留下的標記；痕跡分析就是對這些標記進行診斷鑒別。痕跡學就是通過定性和定量分析來識別這些“標記”及其演變的特征，找出其變化的過程和原因，為事故和失效分析提供線索和證據。

痕跡學應用于失效分析由來已久，但真正成為在失效分析中應用得較為系統的一門科學技術，則是20世紀末的事情。如今，痕跡學也像斷口學一樣，在失效分析中發揮著重要作用，成為失效分析學科中重要的組成部分。可以說，痕跡學涉及的范圍遠大于斷口學所涉及的范圍。

（3）失效評估 失效評估及安全評估，根據材料與結構的失效模式和損傷演變規律，通過對多子樣進行統計的方式以及采用模擬監督試驗或計算機對損傷過程模擬的基礎上，對在役產品的服役壽命以及在服役期內的安全可靠性進行評估。

產品由于缺陷或偶然性造成的隨機性失效在子樣大時總體上必然服從某些統計規律，也就是從無序狀態轉化為有序狀態，這就為裝備的失效評估提供了技術支持。

近年以來，失效評估逐漸被重視起來，成為失效分析的一個分支，鐘群鵬教授近20年來在斷裂失效的評估方面進行了系統研究，建立和發展了斷裂失效評估的一些基本理論和方法。但總體來說，失效評估技術還很不成熟，是有待大力研究的新領域。

2.失效分析與相關學科的關系

現代失效分析發展階段初期，主要圍繞斷裂特征和性質分析來進行，加之在20世紀60年代以前所進行的失效分析，基本上限于材料的組織、性能、宏觀痕跡分析和材料的冶金缺陷檢驗等，因此失效分析與材料研究領域聯系密切。在20世紀80年代以前，失效分析的學術組織也都附屬于材料領域。

但失效分析發展到現在，已經成為多學科交叉的領域，與很多學科的關系都非常密切，如斷裂分析中需要力學，失效機理分析需要材料物理，磨損失效分析需要摩擦與磨損學。而在眾多學科中，可靠性分析與失效分析的關系尤為密切，因為它們是具有緊密聯系的一個矛盾體的兩個方面。

可靠性是產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。當用概率定量描述這種能力時，稱為可靠度。可靠是相對失效而言，而失效則意味著不可靠。

失效分析是以失效裝備（或將要失效的裝備）及其相關的失效過程為分析對象，并以查找某個失效裝備的機理和原因為主要目標；而可靠性分析是以某一種裝備（或系統）群體為分析對象，以評估其失效的可能性或獲得其失效概率為主要目標。因此，失效分析的思路和方法與可靠性的思路和方法不一樣。

失效分析是一門綜合技術科學，它對失效的形式、機理、原因進行研究，并提出預防和改進措施，它涉及廣泛領域和技術范疇。要做好失效分析工作，需要掌握多個專業學科的知識，失效分析與各專業學科的關系如圖2-1所示。

從圖中可以看到，許多專業學科知識為失效分析服務，而失效分析的結果又可為學科的發展提供新的資料和信息，互相促進，共同發展，推動學科的不斷進步。

圖2-1 失效分析與各專業學科的關系