工程材料与结构的失效及失效分析

张成江 王美林

摘 要：在某些工程领域中，材料和结构要接受恶劣条件的挑战，所以材料和结构的失效是难以避免的。本文对工程材料与结构失效的原因进行分析，并介绍当前失效分析的技术，对未来失效分析的发展前景进行展望。

关键词：工程材料；工程结构；失效；分析技术

各个工业部门使用的不同种类的材料和构件在外力环境影响下，经常被磨损和腐蚀，导致断裂变形，最后失效。材料和构件的失效给国民经济带来了巨大的损失，还会对人们的生命安全造成威胁。失效分析有助于促进新材料、新工艺的发展，为了培养这方面的人才，如今失效分析已成为一门新的学科，设计化学、机械和力学领域。

1.工程材料与结构的失效

失效就是失去效力。工程中，零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能；功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性及安全性。机械零件的失效主要是由于整体断裂，过大的残余变形，零件的表面破坏，破坏正常的工作条件而引起的失效。机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时就可定义为失效：完全不能工作；仍然可以工作，但已不能令人满意地实现预期的功能；受到严重损伤不能可靠和安全地继续使用，必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换。

失效的原因可归结为以下几个方面：（1）用法不当，构件在非设计条件下运行。这是失效的一个普遍原因。（2）组装错误及不恰当的维护。组装错误包含这些因素，如少了一个螺栓或采用不正确的湘滑剂；设备维护的范围从油漆表面到清理及润滑，对此不重视会导致失效；有的失效是因为系统中其他一些零件工作不正常而引起的，这样使此构件处于非设计的条件下导致失效。（3）设计错误。这是失效的很普遍的一个原因。可根据设计程序列出以下几条：a.零件的尺寸与形状，些通常决定于应力分析或几何约束；b.材料，这关系到化学成分及为获得所要求的性能而必需的处理方法（例如热处理）；性能，这是有关应力分析的性能，但是其它性能如抗腐蚀性能也必须加以考虑。

2.失效分析技术

2.1痕迹分析技术

痕迹分析技术是比较常用的方法之一。痕迹分为机械损伤痕迹、腐蚀和污染痕迹、热损伤痕迹。机械损伤痕迹又分为，压入性机械损伤痕迹、撞击性机械损伤痕迹、滑动机械损伤痕迹和切入性机械损伤痕迹。实际中构件的实效往往是这几种痕迹组合起来的。通过痕迹分析，不仅可对事故和失效的发生、发展过程做出判断，而且可为事故和失效分析结论提供可靠的佐证和依据。

2.2裂纹分析技术

裂纹是材料表面或内部完整性或连续性被破坏的一种现象，是断裂的前期，断裂则是裂纹发展的结果。裂纹在方向上分为：纵裂纹、横裂纹等定向裂纹。裂纹分析包括裂纹的色谱分析、光谱分析、热分析、质朴分析。色谱分析：是一种分离和分析方法，在分析化学、有机化学、生物化学等领域有着非常广泛的应用。光谱分析：是根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法。热分析：是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。质谱分析：是指利用质谱或质谱联用仪器对样品进行质谱分析，以得到样品不同的质谱图谱表征数据和理化性能，实现样品的定性定量分析和数据表征，满足各科研院所和企业对质谱仪器分析的需求。

2.3断口分析技术

断口是物体受力后，按不同方向断裂。破裂面形成凹凸不停的形状称为断口。由于断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。因此，断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学和断裂物理等诸多内外因素综合作用的结果，对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索。显微组织和断口表面结构的特征在材料失效分析中起着突出的作用。普遍使用的是光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜。光学显微镜是利用光学原理，把微小物体放大，以便人们观察。扫描电子显微镜是利用电子和物质的相互作用，获取样品的物理和化学性质信息。透射电子显微镜可以看到光学显微镜不能看清的细微结构，分辨力可达0.2nm。

3.失效分析思路

失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线，是在思想中以机械失效的规律为理论依据，把通过调查、观察和实验获得的失效信息分别加以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察，以获取的客观事实为证据，全面应用推理的方法，来判断失效事件的失效模式，并推断失效原因。

3.1逐个因素排除的思路

失效事件的原因包括操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理6个方面。如果失效已确定纯属机械问题，则以设备制造全过程为一系统进行分析，即对机械所有的制作工序逐個进行分析，逐个因素排除。加工缺陷、铸造缺陷、焊接缺陷、热处理不当、再加工缺陷、装配检验中的问题、使用和维护不当、环境损伤等11个方面，含有可能引起机械失效的121个主要因素。上述逐个因素排除的思路，面面俱到，不放过任何一个可疑点。此思路是早期安全工作中惯用的事故检查思路，一般不宜采用这种方法，当找不到任何确切线索时，这种方法是一种比较好的办法。

3.2残骸分析法

残骸分析法是从物理、化学的角度对失效零件进行分析的方法。以失效抗力指标为线索的失效分析思路，关键是在搞清楚零件服役条件的基础上，通过残骸的断口分析和其它理化分析，找到造成失效的主要失效抗力指标，并进一步研究这一主要失效抗力指标与材料成分、组织和状态的关系。通过材料工艺变革，提高这一主要的失效抗力指标，最后进行机械的台架模拟试验或直接进行使用考验，达到预防失效的目的。值得指出的是，在不同的服役条件下，要求构件或材料具有不同的失效抗力指标的实质是要求其强度与塑性、韧性之间应有合理的配合。因此，研究构件或材料的强度、塑性等基本性能及它们之间的合理配合与具体服役条件之间的关系就是这一思路的核心。而进一步研究失效抗力指标与材料或零件的成分、组织、状态之间的关系是提高其失效抗力的有效途径。

3.3失效树分析法

失效树分析法是一种逻辑分析方法。失效树分析法是：在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素进行分析，画出逻辑框图即失效树，从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。失效树分析法简称FTA。FTA法具有很大的灵活性，即不是局限于对系统可靠性作一般的分析，而且可以分析系统的各种失效状态。不仅可分析某些元部件失效对系统的影响，还可以对导致这些元部件失效的特殊原因进行分析。

总 结：

我国工程建设在高温、高压和高负荷的恶劣环境中发展已成为现代建筑业的重要标志。而工程材料与结构的失效常常会造成严重的损失和人员伤亡，通过失效分析可以起到预防失效的作用，对保障经济建设具有重要意义。

参考文献：

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