李湘洲，金属世界，1992.1

人们还记忆犹新，6年前，美国“挑战者“号航天飞机发生了举世震惊的爆炸事故以后，有关当局投入了6000多人和100多架（只）飞机和舰船，经过7个多月的海底打捞和陆地搜寻，找回了飞机的大部分残骸和碎片。通过失效分析，确认飞机失事的原因是：火箭助推器的连接组件断裂，使密封装置失效引起燃料泄漏而发生爆炸。

不论哪里发生机械破坏事故，人们总要千方百计把损坏的零部件找回来，用以侦破这类特殊“案件”。为什么从废铜烂铁里可以分析出损坏原因？人们是怎样破案的呢？这是失效分析技术要解决的问题。

本文向读者系统地介绍失效分析知识。

随着科学技术的发展，机械产品的种类和数量浩如烟海，尽管它们之间千差万别，却都有一个共同的属性——具有某种规定的功能。例如，汽车的功能是载重和运输；机床的功能是制造零件；钟表的功能是计时……。机械产品和工程结构在长期使用中，必须保证它们安全可靠地工作。衡量产品质量的优劣，是看他它能否有效地实现规定的功能。然而，正如谁也难以保证一辈子不伤残一样，设计者不可能把所有产品在使用时出现的问题估计准确，有时可能出现意外情况，由于某一零部件突然损坏使机器或结构发生故障或引起严重事故，例如，正在田间耕作的拖拉机，它的发动机主轴突然折成两段；飞快转动的汽轮机叶片突然断裂；轮船船体从某一部位断开而沉没；锅炉骤然爆炸；飞机由于某一构件突然损坏而坠毁。

事实上，世界各国每年发生机器和工程结构的破坏事故是不少的。例如美国在第二次世界大战期间，共建造了2000多艘军舰，其中有240艘船体严重开裂而报废；50年代曾发生过4起电厂主机大型关键零件的破断事故；仅1978年，由于金属腐蚀引起机械设备损坏，所造成的直接经济损失就达700亿美元。

我国也发生过一些机械失效事故。例如1972年10月，一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的客车，行至嫩江大桥因过一小坑受到震动，前轴突然断裂，使客车坠入江中，造成28人死亡的重大事故；1979年9月7日，某地电化厂氯气车间液氯瓶爆炸，使10吨液氯外溢扩散，导致59人死亡779人中毒，直接经济损失63万元。1982年3月12日，一列货车在运行中，由于一车轮发生崩裂，引起列车颠覆的特大事故。

据我国有关部门统计，1973~1975年期间运行的209台汽轮发电机中，仅叶片断裂事故就有350起，每次按增加10天检修期计算，每年要少发电10亿kW.h。

机械失效事故不仅造成巨大的直接经济损失，同时也带来惊人的间接损失。间接损失包括：1.由事故使企业停产所造成的损失；2.引起其他企业停产或减产的损失；3.影响其他企业的信誉和市场竞争力所造成的损失。

很多沉痛的事故教训，使人们重视对事故的分析研究工作，以防悲剧重演。这项对事故的分析研究工作，就是我们要谈的失效分析技术。

分析失效的原因，提出改进和防范措施，对于杜绝类似事件再次发生和提高产品质量，都是十分重要的。因此，失效分析的目的，不仅要判明失效原因，更主要的是为以后预防失效找到有效途径。

国际通用失效的定义是：“产品和结构丧失其规定功能的现象”。失效与事故是一对“孪生子”，它们关系密切，但却又是不同的两个概念。事故强调后果，即造成的损失和危害；失效强调的是机械和结构本身的功能状态。例如，汽车制动器失灵是失效，由此造成的交通事故则属事故。零部件究竟在何时，以何种方式发生失效，基本上是随机事件，人们难以预料。

按机械丧失功能的状况，失效有几种不同情况。汽车因发动机连杆断裂而不能启动，这种完全失去缘由功能的现象无疑是失效；有时仅少数零件失去功能或性能劣化，如车床主轴因零件磨损使其跳动量增大，此时车床虽未丧失切削功能，但失去了应有的加工精度，对此也应视为车床已失效；有时机械结构的整体功能并无任何变化，但某个零部件已失去功能。它们在一般情况下虽然还能正常工作，但存在重大事故隐患，这种失去安全工作能力的机器也属失效。例如，锅炉的安全阀和火车的紧急制动器失灵等。

因此，机械的失效可以归纳为以下三种情况：

1.       完全不能工作者；

2.       性能劣化，超过规定的失效判据者；

3.       失去安全工作能力者。

对于那些造成人的生命财产重大损失的失效事件，往往能够引起人们的重视，但对那些量大面广经常出现的失效，并且不难修复的小毛病，人们往往习以为常，未给予足够的重视。孰不知这些频繁出现的“小失效”同样会造成很大的损失。例如，我国东北的冬季时间长达5~6个月，挖掘机在-35℃~-50℃温度下工作，其斗柄、齿轮齿条、主轴、连接筒等零件，推土机的转向离合器等，经常发生低温断裂失效。此外，井下矿车的插销，汽车、拖拉机的板簧，矿用自翻车的摇枕车架、挂钩销等零件的断裂失效也屡见不鲜。这类失效虽然一次造成的损失不大，但由于发生频率高、数量多，因而累计损失也很可观。据统计，某矿山所用矿车，仅挂钩和挂钩销失效，每年的经济损失合计竟高达40~50万元。

现代机器和工程结构的工作条件日益苛刻，对零部件的可靠性提出了越来越高的要求，失效所造成的后果也更加严重。这就使得失效分析工作日益重要。概括起来，有以下几方面的作用和意义。

1、 促进科学技术的发展

18世纪中叶，蒸汽机的发明给生产提供了广泛的动力，各种机器如雨后春笋般涌现出来，从此失效事件多了起来。

19世纪中期，英国连续发生了几起火车车轴的断裂事故，通过大量对断轴的失效分析，使人们认识到：金属在交变应力作用下，即使应力远低于抗拉强度极限，经一定循环应力作用后仍会产生疲劳断裂失效。

本世纪中期以后，每到严寒的冬季，一些国家曾发生轮船破裂、桥梁倒塌、压力容器爆炸事件。经过失效分析和研究，奠定了钢的低温脆断理论。

本世纪40年代，我国著名的冶金学家李薰对英国的一架坠毁飞机进行失效分析，初步揭开了金属氢脆的奥秘。50年代，美国先后发生了数起电站设备的飞裂事故，失效分析使人们对“氢脆”有了进一步认识。为了降低钢中氢的含量，发展了碱性电炉和真空冶炼技术。

本世纪50年代，宇航技术和导弹工业的发展，要求进一步减轻结构的重量，同时提高使用强度，高强度和超高强度钢材应运而生。但却导致了一些低应力脆断失效事故，1959年美国“北极星”导弹试验中发生爆炸就是一例。对低应力脆断事故的失效分析，促进了断裂力学的发展。

通过对现代大型不锈钢化工设备爆炸事故的失效分析，使人们认识到，一定成分和组织状态的合金，在腐蚀介质和拉应力的同时作用下，会产生应力腐蚀失效。因而形成了一系列防范技术与措施。

通过以上分析可以看出，任何机械失效事件，首先是人们对可观事物的规律认识不够（或没有认识）的反映，人们通过失效分析发现和认识了这些新现象、新问题，并用这些知识改进设计和发展新产品。新产品在工作中又可能发生失效，这又迫使人们再去认识和解决新问题。失效、认识（失效分析）、提高、再失效、再认识、再提高，由此促进了科学技术的不断发展。

2、 促进产品质量提高

任何一次机械失效，都可以看成零部件在实际使用条件下，所做的科学试验的结果。我们知道，在试验室对产品或材料进行试验，如可靠性试验或检测性试验等，只能对预先设定的影响因素获得规律性认识。但是零部件在实际工作中，情况更加复杂多变，例如载荷、温度、环境、介质以及其它人为因素等等。实验室内再好的模拟试验，也难与零部件的实际工作条件完全相同。同时，产品往往会在设计、材料、工艺以及使用许多方面，出现一些难以预料的问题。越是意料之外发生失效，越能给人们意想不到的启示。它引导人们认识复杂多变的外界条件，寻找被忽略的因素，促进产品质量的提高。

例如，50年代，日本汽车的质量每况愈下，一度以质量低劣闻名于世，汽车公司濒临倒闭。后来，他们系统地分析主要零部件的失效情况，查找质量低劣原因，并同国外优质汽车对比，提出改进措施。不久，各国纷纷传出：“车到山前必有路，有路必有日本车”。

3、 经济效益倍增

失效分析使产品质量得到提高，例如某厂生产的柴油机连杆，曾连续发生早期断裂失效，由此造成的直接经济损失24万元。经过失效分析，找到了早期断裂原因，采取了防止措施，以后累计减少经济损失1200万元。

随着我国经济对外开放，失效分析在外贸产品的索赔中也起很大作用。例如，1980年黑龙江农垦总局进口的联合收割机中，有100多台仅工作10几天就有零件失效。经过分析实验证明，系材质有问题。在确凿的事实面前，外商同意赔款140万元。

失效分析还能给整个国民经济带来更为巨大的经济效益。一个国家花费在机械维修方面的人力、物力和财力是相当可观的。如果失效分析工作做得好，维修费用可以大幅度减少。例如，1982年，美国由于机械失效而造成的经济损失约3600亿美元。若认真地进行失效分析，降低维修费用，至少可减少损失1/4，即可节约900亿美元。