第1章 緒論

1.1 失效分析的意義

各種機械零件及構件都具有一定的功能，如承受某種載荷、傳遞能量，完成某種規定動作等。當機械零件喪失它應有的功能或發生損傷破壞時，則稱該零件失效。例如，一臺機床失去加工精度，一架飛機在空中失事，汽車、輪船、火車發生故障不能正常行駛等都是失效。失效分析的任務就是找出失效的主要原因，并據以制訂改進措施，以防止同類失效再度發生。通過對各種各樣失效事故的分析和研究，人們逐漸認識到了失效分析工作的重要性，失效分析對提高產品質量有著重要的指導作用。目前，越來越多的國家和企業已經把失效分析作為一項重要的學科和研究內容。

20世紀50年代以來，隨著微電子技術的異軍突起，電子光學、斷口學、痕跡學、表面科學、金相學、電子顯微學等迅猛發展，產品失效的物理、化學過程，已能從微觀角度闡明失效的本質、規律和原因。基于此，失效分析逐漸走上了較為系統、綜合、理論化的新階段，并在國民經濟和技術中發揮著日益重要的作用，已為世人所矚目，其重要意義如下：

1）失效分析是全面質量管理中必不可少的重要環節。任何一次失效，都可以看成是產品在服役條件下所做的一次最真實、最可靠的科學試驗結果。通過失效分析，判斷失效的模式，找出失效的原因和影響因素，也就找到了薄弱環節所在，從而改進有關部門的工作，提高產品質量。因此，它是對設計、制造及維修工作的最終最有效的檢驗。失效分析是檢驗、評定產品缺陷安全度的最佳依據。同時，它就像一面鏡子，不斷反映產品所固有的以及質量控制中的薄弱環節。

2）失效分析是可靠性工程的技術基礎之一。可靠性是產品的關鍵性指標，而可靠性技術是質量保證的核心。從宏觀統計入手的可靠性分析，雖然可以得到產品可靠性的各種特征參數及宏觀規律，但不能回答產品是怎樣失效以及為什么失效。它主要是處理故障和壽命問題的，并從開發、設計階段防止缺陷、進行可靠性設計和預測。可靠性分析的前提之一就是確認產品是否失效，分析產品失效類型、失效模式和機理。因此，可靠性分析離開失效分析將寸步難行，失效分析的成果和信息是可靠性分析必不可少的基礎。

3）失效分析是安全工程的重要技術保證之一。安全工程是一個系統工程，故安全工作環節多、涉及面廣。失效分析是其中的一項關鍵性工作。例如，機械原因引起的嚴重車輛事故發生后，失效分析的作用尤為突出。首先一個問題是同類型車輛是否停止使用，接下來要不要普查，要不要返修，如何返修等一系列難題擺在面前。安全工程以事故為主要研究對象，美國空軍在20世紀60年代提出了安全系統工程學。眾所周知，許多事故是由于產品失效引起的。安全系統工程的主要內容包括安全分析、安全評估和安全措施。失效分析可以找出薄弱環節，查明不安全因素，發現事故隱患，預測由失效引起的危險，提供優化的安全措施。因此，它是安全工程強有力的技術保證之一。

4）失效分析是維修工程的理論基礎和指導依據。產品維修要解決的基本矛盾是良好與失效。維護主要是預防失效，保持產品應有的功能；而維修主要是排除失效，即恢復對產品所規定的功能。人類正是在長期與失效做斗爭并分析其后果的實踐中，才逐步形成了科學的維護規程，發展了先進的修理技術，提出了以可靠性為中心的維修思想，實質上是依據產品本身的固有可靠性特性和產品使用可靠性，結合產品的失效規律和機理，采用科學的分析方法，僅做必要的維修工作。在維修工作中，根據故障檢修的結果，確認產品失效的性質、程度和后果，從而采用不同的修理方式。綜上所述，在涉及全面質量管理、可靠性、安全、維修四大工程中，失效分析具有不可替代的、舉足輕重的地位和作用。

5）失效分析可產生巨大的經濟效益和社會效益。通過失效分析可以避免同類事故的再次發生，保障人民的生命財產安全，保證正常的生產、生活和訓練。因此，從某種意義上講，失效分析可輸出生產力和戰斗力。

失效分析作為強大動力推動了科學技術的進步。在長期、大量的失效分析基礎上，不斷發現新的失效模式和機理，摩擦學、腐蝕學、疲勞學、斷裂力學、損傷力學、斷口學、電子顯微學、痕跡學、電接觸、表面科學等一大批工程學科得以迅猛發展。新技術、新工藝、新材料、新的診斷、測試和監控手段得以廣泛的推廣和應用。

失效分析反饋到相關部門，促進了產品質量的提高，大量寶貴的失效分析成果和信息是設計、制造部門開發新產品的最好營養品。失效分析在全面質量管理中是一個重要環節，特別在源流管理中，起到早期警戒的作用，以便盡早采取對策。

統計表明，在產品的不同發展階段，由于質量缺陷帶來的經濟損失是以數量級的變化而增大的。因此，設計人員不但要積累大量成功的設計原型，更不能忘記那些用血的代價換來的慘痛失敗（失效）的教訓（各種失效模式、設計禁忌、防錯設計等），盡全力把產品的潛在缺陷消滅在設計過程中。

《中華人民共和國產品質量法》有關條文中規定，因產品存在缺陷造成受害人財產損失的，侵害人應當恢復原狀或者折價賠償。受害人因此遭受其他重大損失的，侵害人應當賠償損失。因產品存在缺陷造成人身、財產損害的消費者，可以向產品生產者索賠，也可向產品銷售者索賠。失效分析在加強社會監督，保護消費者合法權益方面可以并且必將發揮更大的作用。

下面以泰坦尼克號沉船事故為例，說明失效分析工作的重要性和意義。

泰坦尼克號是20世紀初世界上最大的豪華游輪，它長260m、寬28m、高51m、噸位46328t，可載客3000多人，當時總耗資750萬英鎊，泰坦尼克號全貌如圖1-1所示。船體結構的設計采用了雙殼層和十六個相互隔離的水密艙等安全措施，因而當時被認為是一艘“永不沉沒的”巨輪。它的處女航是在1912年4月10日從英國南安普頓出發前往紐約的，航速為22節（1節=1.852km/h），但4月14日晚11∶40在北大西洋與一塊漂浮的大冰山相撞，由于船體左側六個前倉殼體破裂進水，2小時47分鐘后沉沒，船體沉沒時斷裂狀況模擬圖如圖1-2所示。船上共有2208人，僅705人獲救，1503人葬身海底，這是迄今為止世界上發生的最大的海事事故。

在對泰坦尼克號船板備用件進行相關檢測后，發現有大量的MnS夾雜物，其金相組織如圖1-3所示，其縱、橫向韌脆轉變溫度分別為32℃、56℃，而當時的水溫是-2℃。可以推定，泰坦尼克號與冰山相撞時的失效特征是脆性斷裂模式，船板的沖擊斷口為典型的脆性斷口，如圖1-4所示，這是因為船板和鉚釘中都含有大量的MnS夾雜物，有害元素P超標以及航速偏快。船板在冰山的持續碰撞下，在夾雜物、鉚釘等應力集中處引發了許多裂紋，這些裂紋隨后發生快速疲勞擴展并彼此連接成大裂紋，最終導致船板的整體裂開。

圖1-1 泰坦尼克號全貌

圖1-2 船體沉沒時斷裂狀況模擬圖

因此，泰坦尼克號的失效是由于船板和鉚釘的斷裂韌度低、冰山的撞擊力和航速本身過快等相互作用下發生的低應力脆性斷裂所引起的。故以后選用了耐低溫材料作為船體制造材料，現代船板材料的沖擊斷口為韌性斷口，如圖1-5所示，并且嚴格控制其夾雜物含量以及駕駛航速，從而杜絕了類似事故的發生。

圖1-3 船板金相組織

圖1-4 船板的沖擊斷口

圖1-5 現代船板沖擊斷口

產品或裝備失效分析的意義不僅在于失效性質的判斷和失效原因的明確，而更重要的還在于為積極預防重復失效找到有效的途徑。通過失效分析，找到造成產品或裝備失效的真正原因，從而建立結構設計、材料選擇與使用、加工制造、裝配調整、使用與保養方面主要的失效抗力指標與措施，特別是確定這種失效抗力指標隨材料成分、組織和狀態變化的規律，運用金屬學、材料強度學、工程力學等方面的研究成果，提出增強失效抗力的改進措施。既能提高產品或裝備承載能力和使用壽命，又可做到充分發揮產品或裝備的使用潛力，使材盡其用，這是產品或裝備失效分析、預測預防研究的重要目的與內容。