失效分析技术之基础知识篇
摘要：本文介绍失效分析与预防技术相关的概念、失效及失效分析分类、失效分析的目的、特点及作用，以及对失效分析实验室、人员和管理的要求等。 关键词：失效，失效分析，失效预防
1基本概念[1]
1.1失效
产品丧失规定的功能称为失效。
1.2失效分析
判断失效的模式，查找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。
1.3失效模式
失效的外在宏观表现形式和规律称为失效模式。
1.4失效机理
失效机理是指引起失效的微观物理化学变化过程和本质。
1.5失效学
研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。
1.6风险
风险是失效的可能性与失效后后果的乘积，风险评估就是对系统发生失效的危险性进行定性和定量的分析。
1.7失效和事故
失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态，如由于涡轮叶片的疲劳断裂失效，
导致某型号的某某事故。失效和事故常常有一定的因果关系，但二者没有必然的联系。
1.8失效和可靠性
失效是可靠性的反义词。产品的可靠度R(t)是产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定的功能的能力。失效率F(t)是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时间内发生失效的概率，即F(t)=1-R(t)。
1.9失效件和废品
失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件，而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。
1.10失效分析和状态诊断
失效分析是指事后的分析，而状态诊断是针对可能的主要失效模式、原因和机理方面事先的，即在线、适时、动态的诊断。
1.11失效分析和安全评定
失效分析是指事故后的失效模式、原因和机理诊断，而安全评定是指事故前，按“合于使用”原则的安全与否的评价。
1.12失效分析与维修
维修是维护和修理的总合，维护指将可能造成维修对象功能缺损的因素排除掉，修理指将维修对象缺损的功能恢复，主要是以替换失效件的方式进行。而失效分析是针对失效件的失效模式、原因和机理进行分析。维修主要是针对整机进行修复，而失效分析是对已经定位的失效构件或材料进行分析。
1.13痕迹[2]
主要指力学、化学、热学、电学等因素单独地或共同地作用于制件，而在制件上形成的各种印迹、颜色或材料粘结等。
1.14 痕迹分析
对痕迹进行诊断鉴别，找出其形成和变化的原因，为失效分析提供线索和依据的过程。
2 失效的分类
2.1 按损伤机理进行分类
按损伤机理进行分类主要是按失效模式和失效机理分类，是宏观与微观相结合，先无损再有损，由表及里地揭示失效的物理本质和过程。在材料与构件级，我们可以分为金属材料及构件失效分析、非金属材料及构件失效分析和电子零部件失效分析。金属材料和构件作为整个工业化的基础，其主要的失效模式和失效机理研究得比较完善，失效分析的流程也比较固定。
随着科技的不断进步，非金属材料和构件由于其密度小、强度高、耐腐蚀等特点，越来越多地应用到我们的日常生产和生活中。由于使用环境和要求不同，非金属材料的失效也不断发生，但其失效模式和机理的理论基础有待完善。
电子零部件失效分析主要分电子元器件、电子材料、印制电路板和组装印制电路的失效，其分析手段和流程既借鉴了传统分析方法又使用了许多针对电子零部件的检测分析技术。随着涂层/镀层在各类产品中的大量使用，通过对涂层/镀层失效机理的分析，使得涂层/镀层的良品率和使用寿命不断提高。图1为材料与构件级产品失效的分类[3]。
图1. 失效模式分类
2.2 按质量管理和可靠性进行分类
质量管理是人们为了保证、改进和提高质量而从事的计划、组织、协调、审查、检验等一系列控制的活动。可靠性工程是运用系统工程的思路和方法，权衡经济利弊，把设备（或系统）的失效率降到可接受的程度，进而进行合理的设计（可靠性设计）和管理的一门技术。
因此，可靠性工程实质上就是预测、预防和控制失效的技术工作和管理活动，而失效分析则是可靠性工程的技术基础。失效从质量管理和可靠性工程的观点分类就是要从失效发展过程和速度、失效的工程含义（即失效的整体性、可修复性和相关性）来分类。著名的“浴盆曲线”就是按产品失效发展过程，将产品的整个寿命周期中的失效过程分为三个时期，即早期失效期、偶然失效期、磨损失效期，如图2所示。
图2. 浴盆曲线
2.3 按责任方进行分类
产品的失效会造成一定的经济损失甚至人员的伤亡，往往会引起赔偿和责任的诉讼。按责任方分类的观点是为了分清和判处失效的法律责任和经济责任。产品失效的责任有：产品本质缺陷失效、误用失效、正常的磨损失效、外界影响失效；失效的后果分类有：恶性失效、致命失效（灾难性失效）、退化失效；失效的程度分类有：完全失效和部分失效。这种分类方法在处理索赔的失效事件时尤为重要。
3 失效分析的分类[4]
失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为：
（1）狭义的失效分析：主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。
（2）广义的失效分析：不仅要找出引起产品失效的直接原因，而且要找出技术管理方面的薄弱环节。
（3）新品研制阶段的失效分析：对失效的研制品进行失效分析。
（4）产品试用阶段的失效分析：对失效的试用品进行失效分析。
（5）定型产品使用阶段的失效分析：对失效的定型产品进行失效分析。
（6）修理品使用阶段的失效分析：对失效的修理品进行失效分析。
（7）确认事故责任以及索赔而进行的失效分析：对肇事件或失效件质量进行的失效分析。
4 失效分析的目的、特点与作用
4.1 失效分析的目的
产品失效分析的重点无疑是分析产品的早期失效事件、突发性失效事件，因为这些失效事件的分析关系到产品后期质量的稳定和用户投诉的妥善处理及改进。
失效分析的深度应依其分析的目的和要求不同而异。失效分析工作者的任务是根据失效分析的不同目的和不同要求，做出确切而恰当的诊断及对策。故在失效发生后，分析开始前分析工作者需要与委托方做好沟通，明确失效分析的目的及要求，以便准确快速地完成失效分析任务。
4.2 失效分析的特点
重大的失效事故及其分析工作有如下特点：
（1）发生的突然性和过程的难救援性；（2）损失的严重性和遇难的悲惨性；
（3）模式的多样性和原因的复杂性；（4）分析的困难性和研究的探索性；（5）思路的新颖性和技术的科技性；（6）影响的广泛性和成果的重要性。
4.3 失效分析的作用
失效是绝对的，而安全则是相对的。通过逆向思维、逆向分析的方法，定位失效点，分析失效机理，进而给出改进建议和策略，为产品的安全生产与安全使用打下良好的基础。
（1）通过失效分析可以发现产品或构件失效的真正原因，进而可以对症下药、有的放矢地采取措施进行改进和预防，这与简单的维修替换工作有本质的不同。
（2）通过失效分析可以减少同类失效事件的重复发生，减少试产阶段、大批量生产阶段和使用阶段由于类似失效而造成的经济损失。
（3）失效分析工作是产品质量控制和可靠性工程的重要组成部分，加强失效分析工作将有利于提升质量管控水平，使可靠性设计与评估有据可依。
（4）失效分析可以为诉讼案件、仲裁事件及犯罪案件的侦破提供理论依据和指导。
（5）通过重视失效分析工作，为产品研发、改进及相关标准的制定提供依据，企业的产品质量、市场占有率和客户认知度讲不断提升，有利于知名品牌的建立。同时用户也会从失效分析中受益。
（6）失效分析数据库的建立、共享，失效物理学的不断完善，将有助于培养新的失效分析工作者，快速定位、解决类似失效案件，推动科技进步。
（7）失效分析为安全工程提供技术保证，为维修工程提供理论基础和指导依据。
5 失效分析预测预防的技术工作[5]
失效分析预测预防的内涵是分析诊断失效的模式、原因和机理，研究采取补救、预测和预防的技术活动和管理活动。失效分析是事后的，预测预防是事先的。
失效预测研究是失效诊断研究的继续和发展，它是变事后的、被动的失效诊断为事前的、主动的失效控制的重要研究方向和内容。失效预测研究可以分为安全状况预测、剩余寿命预测和累积失效概率预测。
通过对失效机理的研究，形成失效物理（或称为可靠性物理）学，即是从微观的角度解释材料或构件的失效原理。失效物理学的基础是数理统计方法、可靠性工程、固体物理和材料科学。失效物理的基本研究内容是失效模型定性或定量的描述方法、失效模式的识别及其应用。对失效物理的深入研究和广泛应用，将为失效预防预测工作提供基础的理论支持
6失效分析人员的要求[6]
6.1人员要求
（1) 具有实事求是的科学态度、客观性和公正性的原则。
（2) 工作作风严谨，具有优良的职业道德。
（3) 看问题全面，具有较强的逻辑思维能力。
（4) 较强的组织能力和良好的团队协作精神。
（5) 除应具有失效学的基础和共性知识外，还应当深入掌握力学、材料或电子等学科中某一学科的专业知识，同时了解其他相关专业的一般基础知识及其应用，并较好地掌握理化分析、无损检测、裂纹端口分析、力学试验等有关分析所需的检测方法的技术要点及适用性等。
（6) 对各类失效模式与机理有较深入的了解，并具有丰富的实践经验，对失效件的失效性质与原因能做出准确的分析和判断。
（7) 对所分析产品的设计、结构与功能、生产与工艺流程有一定的了解。
（8) 掌握实验质量管理、数据准确性和有效性分析方法。
6.2人员的职责与权力
（1) 根据失效分析的对象与要求，负责组织编制失效分析的程序与实施细则，并组织实施。
（2) 根据对失效件的试验结果及有关资料进行综合分析，对失效性质与原因作出判断，提出改进措施，负责或组织编写失效分析报告。
（3) 负责审核与评定失效分析报告。
（4) 有受聘参加重大失效事件分析的资格。
（5) 有独立地行使技术职权和越级反映自己意见的权利。
7 对失效分析实验室的基本要求
7.1具有相关经验和资质的失效分析技术人员，分工明确，形成梯度完整的检测、分析团队。
7.2有进行失效分析的基础检测、分析仪器设备，计量类仪器须经校准、检定合格后在有效期内使用。
7.3仪器设备使用时，应满足相应的试验环境（如温度、湿度、大气压）要求。
7.4实验室应建立完善的质量保证体系，并获得相应的资质认可，保证检测结果的准确性与可信性。
7.5实验室应建立严格的保密制度，保证委托方的样品、相关信息、检测分析结果的秘密性。
8失效分析对管理的基本要求
由于失效分析的重要性、复杂性和特殊性，加强失效分析的管理非常重要。
8.1支持和保护失效分析人员坚持实事求是、坚持真理、修正错误的精神。
8.2广泛吸收各种意见的专业人员参与分析讨论，充分听取不同的意见和建议。
8.3掌握和运用并行工程的管理思路和方法。
9 总结
随着人类对产品质量与可靠性的要求越来越高，失效分析在产品质量管控中的地位将越来越重要。失效学的兴起与发展，将使失效分析的周期不断缩短，对生产实践的指导作用将更具针对性，同时也将推动失效预测预防技术的成熟。但是，失效分析人员的培养的进度将会制约失效分析技术的发展，因此，我们应该加大对人员的培养，使他们掌握更多专业知识，推进失效分析技术的进一步发展。
参考文献
1钟群鹏，张峥，骆红云. 材料失效诊断、预测和预防. 长沙：中南大学出版社，2009
2 HB 7739-2004 航空金属制件失效分析程序与要求
3陶春虎，刘高远等. 军工产品失效分析技术手册. 北京：国防工业出版社，2009 4钟群鹏. 失效分析基础知识. 理化检验-物理分册，2005年第42卷
5刘新灵 张峥 陶春虎. 疲劳断口定量分析. 国防工业出版社，2010年9月 6 HB 7478-1996 航空装备失效分析人员资格鉴定
失效分析技术之基础知识篇
摘要：本文介绍失效分析与预防技术相关的概念、失效及失效分析分类、失效分析的目的、特点及作用，以及对失效分析实验室、人员和管理的要求等。 关键词：失效，失效分析，失效预防
1基本概念[1]
1.1失效
产品丧失规定的功能称为失效。
1.2失效分析
判断失效的模式，查找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。
1.3失效模式
失效的外在宏观表现形式和规律称为失效模式。
1.4失效机理
失效机理是指引起失效的微观物理化学变化过程和本质。
1.5失效学
研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。
1.6风险
风险是失效的可能性与失效后后果的乘积，风险评估就是对系统发生失效的危险性进行定性和定量的分析。
1.7失效和事故
失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态，如由于涡轮叶片的疲劳断裂失效，
导致某型号的某某事故。失效和事故常常有一定的因果关系，但二者没有必然的联系。
1.8失效和可靠性
失效是可靠性的反义词。产品的可靠度R(t)是产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定的功能的能力。失效率F(t)是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时间内发生失效的概率，即F(t)=1-R(t)。
1.9失效件和废品
失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件，而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。
1.10失效分析和状态诊断
失效分析是指事后的分析，而状态诊断是针对可能的主要失效模式、原因和机理方面事先的，即在线、适时、动态的诊断。
1.11失效分析和安全评定
失效分析是指事故后的失效模式、原因和机理诊断，而安全评定是指事故前，按“合于使用”原则的安全与否的评价。
1.12失效分析与维修
维修是维护和修理的总合，维护指将可能造成维修对象功能缺损的因素排除掉，修理指将维修对象缺损的功能恢复，主要是以替换失效件的方式进行。而失效分析是针对失效件的失效模式、原因和机理进行分析。维修主要是针对整机进行修复，而失效分析是对已经定位的失效构件或材料进行分析。
1.13痕迹[2]
主要指力学、化学、热学、电学等因素单独地或共同地作用于制件，而在制件上形成的各种印迹、颜色或材料粘结等。
1.14 痕迹分析
对痕迹进行诊断鉴别，找出其形成和变化的原因，为失效分析提供线索和依据的过程。
2 失效的分类
2.1 按损伤机理进行分类
按损伤机理进行分类主要是按失效模式和失效机理分类，是宏观与微观相结合，先无损再有损，由表及里地揭示失效的物理本质和过程。在材料与构件级，我们可以分为金属材料及构件失效分析、非金属材料及构件失效分析和电子零部件失效分析。金属材料和构件作为整个工业化的基础，其主要的失效模式和失效机理研究得比较完善，失效分析的流程也比较固定。
随着科技的不断进步，非金属材料和构件由于其密度小、强度高、耐腐蚀等特点，越来越多地应用到我们的日常生产和生活中。由于使用环境和要求不同，非金属材料的失效也不断发生，但其失效模式和机理的理论基础有待完善。
电子零部件失效分析主要分电子元器件、电子材料、印制电路板和组装印制电路的失效，其分析手段和流程既借鉴了传统分析方法又使用了许多针对电子零部件的检测分析技术。随着涂层/镀层在各类产品中的大量使用，通过对涂层/镀层失效机理的分析，使得涂层/镀层的良品率和使用寿命不断提高。图1为材料与构件级产品失效的分类[3]。
图1. 失效模式分类
2.2 按质量管理和可靠性进行分类
质量管理是人们为了保证、改进和提高质量而从事的计划、组织、协调、审查、检验等一系列控制的活动。可靠性工程是运用系统工程的思路和方法，权衡经济利弊，把设备（或系统）的失效率降到可接受的程度，进而进行合理的设计（可靠性设计）和管理的一门技术。
因此，可靠性工程实质上就是预测、预防和控制失效的技术工作和管理活动，而失效分析则是可靠性工程的技术基础。失效从质量管理和可靠性工程的观点分类就是要从失效发展过程和速度、失效的工程含义（即失效的整体性、可修复性和相关性）来分类。著名的“浴盆曲线”就是按产品失效发展过程，将产品的整个寿命周期中的失效过程分为三个时期，即早期失效期、偶然失效期、磨损失效期，如图2所示。
图2. 浴盆曲线
2.3 按责任方进行分类
产品的失效会造成一定的经济损失甚至人员的伤亡，往往会引起赔偿和责任的诉讼。按责任方分类的观点是为了分清和判处失效的法律责任和经济责任。产品失效的责任有：产品本质缺陷失效、误用失效、正常的磨损失效、外界影响失效；失效的后果分类有：恶性失效、致命失效（灾难性失效）、退化失效；失效的程度分类有：完全失效和部分失效。这种分类方法在处理索赔的失效事件时尤为重要。
3 失效分析的分类[4]
失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为：
（1）狭义的失效分析：主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。
（2）广义的失效分析：不仅要找出引起产品失效的直接原因，而且要找出技术管理方面的薄弱环节。
（3）新品研制阶段的失效分析：对失效的研制品进行失效分析。
（4）产品试用阶段的失效分析：对失效的试用品进行失效分析。
（5）定型产品使用阶段的失效分析：对失效的定型产品进行失效分析。
（6）修理品使用阶段的失效分析：对失效的修理品进行失效分析。
（7）确认事故责任以及索赔而进行的失效分析：对肇事件或失效件质量进行的失效分析。
4 失效分析的目的、特点与作用
4.1 失效分析的目的
产品失效分析的重点无疑是分析产品的早期失效事件、突发性失效事件，因为这些失效事件的分析关系到产品后期质量的稳定和用户投诉的妥善处理及改进。
失效分析的深度应依其分析的目的和要求不同而异。失效分析工作者的任务是根据失效分析的不同目的和不同要求，做出确切而恰当的诊断及对策。故在失效发生后，分析开始前分析工作者需要与委托方做好沟通，明确失效分析的目的及要求，以便准确快速地完成失效分析任务。
4.2 失效分析的特点
重大的失效事故及其分析工作有如下特点：
（1）发生的突然性和过程的难救援性；（2）损失的严重性和遇难的悲惨性；
（3）模式的多样性和原因的复杂性；（4）分析的困难性和研究的探索性；（5）思路的新颖性和技术的科技性；（6）影响的广泛性和成果的重要性。
4.3 失效分析的作用
失效是绝对的，而安全则是相对的。通过逆向思维、逆向分析的方法，定位失效点，分析失效机理，进而给出改进建议和策略，为产品的安全生产与安全使用打下良好的基础。
（1）通过失效分析可以发现产品或构件失效的真正原因，进而可以对症下药、有的放矢地采取措施进行改进和预防，这与简单的维修替换工作有本质的不同。
（2）通过失效分析可以减少同类失效事件的重复发生，减少试产阶段、大批量生产阶段和使用阶段由于类似失效而造成的经济损失。
（3）失效分析工作是产品质量控制和可靠性工程的重要组成部分，加强失效分析工作将有利于提升质量管控水平，使可靠性设计与评估有据可依。
（4）失效分析可以为诉讼案件、仲裁事件及犯罪案件的侦破提供理论依据和指导。
（5）通过重视失效分析工作，为产品研发、改进及相关标准的制定提供依据，企业的产品质量、市场占有率和客户认知度讲不断提升，有利于知名品牌的建立。同时用户也会从失效分析中受益。
（6）失效分析数据库的建立、共享，失效物理学的不断完善，将有助于培养新的失效分析工作者，快速定位、解决类似失效案件，推动科技进步。
（7）失效分析为安全工程提供技术保证，为维修工程提供理论基础和指导依据。
5 失效分析预测预防的技术工作[5]
失效分析预测预防的内涵是分析诊断失效的模式、原因和机理，研究采取补救、预测和预防的技术活动和管理活动。失效分析是事后的，预测预防是事先的。
失效预测研究是失效诊断研究的继续和发展，它是变事后的、被动的失效诊断为事前的、主动的失效控制的重要研究方向和内容。失效预测研究可以分为安全状况预测、剩余寿命预测和累积失效概率预测。
通过对失效机理的研究，形成失效物理（或称为可靠性物理）学，即是从微观的角度解释材料或构件的失效原理。失效物理学的基础是数理统计方法、可靠性工程、固体物理和材料科学。失效物理的基本研究内容是失效模型定性或定量的描述方法、失效模式的识别及其应用。对失效物理的深入研究和广泛应用，将为失效预防预测工作提供基础的理论支持
6失效分析人员的要求[6]
6.1人员要求
（1) 具有实事求是的科学态度、客观性和公正性的原则。
（2) 工作作风严谨，具有优良的职业道德。
（3) 看问题全面，具有较强的逻辑思维能力。
（4) 较强的组织能力和良好的团队协作精神。
（5) 除应具有失效学的基础和共性知识外，还应当深入掌握力学、材料或电子等学科中某一学科的专业知识，同时了解其他相关专业的一般基础知识及其应用，并较好地掌握理化分析、无损检测、裂纹端口分析、力学试验等有关分析所需的检测方法的技术要点及适用性等。
（6) 对各类失效模式与机理有较深入的了解，并具有丰富的实践经验，对失效件的失效性质与原因能做出准确的分析和判断。
（7) 对所分析产品的设计、结构与功能、生产与工艺流程有一定的了解。
（8) 掌握实验质量管理、数据准确性和有效性分析方法。
6.2人员的职责与权力
（1) 根据失效分析的对象与要求，负责组织编制失效分析的程序与实施细则，并组织实施。
（2) 根据对失效件的试验结果及有关资料进行综合分析，对失效性质与原因作出判断，提出改进措施，负责或组织编写失效分析报告。
（3) 负责审核与评定失效分析报告。
（4) 有受聘参加重大失效事件分析的资格。
（5) 有独立地行使技术职权和越级反映自己意见的权利。
7 对失效分析实验室的基本要求
7.1具有相关经验和资质的失效分析技术人员，分工明确，形成梯度完整的检测、分析团队。
7.2有进行失效分析的基础检测、分析仪器设备，计量类仪器须经校准、检定合格后在有效期内使用。
7.3仪器设备使用时，应满足相应的试验环境（如温度、湿度、大气压）要求。
7.4实验室应建立完善的质量保证体系，并获得相应的资质认可，保证检测结果的准确性与可信性。
7.5实验室应建立严格的保密制度，保证委托方的样品、相关信息、检测分析结果的秘密性。
8失效分析对管理的基本要求
由于失效分析的重要性、复杂性和特殊性，加强失效分析的管理非常重要。
8.1支持和保护失效分析人员坚持实事求是、坚持真理、修正错误的精神。
8.2广泛吸收各种意见的专业人员参与分析讨论，充分听取不同的意见和建议。
8.3掌握和运用并行工程的管理思路和方法。
9 总结
随着人类对产品质量与可靠性的要求越来越高，失效分析在产品质量管控中的地位将越来越重要。失效学的兴起与发展，将使失效分析的周期不断缩短，对生产实践的指导作用将更具针对性，同时也将推动失效预测预防技术的成熟。但是，失效分析人员的培养的进度将会制约失效分析技术的发展，因此，我们应该加大对人员的培养，使他们掌握更多专业知识，推进失效分析技术的进一步发展。
参考文献
1钟群鹏，张峥，骆红云. 材料失效诊断、预测和预防. 长沙：中南大学出版社，2009
2 HB 7739-2004 航空金属制件失效分析程序与要求
3陶春虎，刘高远等. 军工产品失效分析技术手册. 北京：国防工业出版社，2009 4钟群鹏. 失效分析基础知识. 理化检验-物理分册，2005年第42卷
5刘新灵 张峥 陶春虎. 疲劳断口定量分析. 国防工业出版社，2010年9月 6 HB 7478-1996 航空装备失效分析人员资格鉴定