摘 要： 失效分析在本世纪得到了迅猛发展,推动和促进了断裂力学相关学科的建立;金属材料断口学得到了充分的发展和完善,促进了机械产品失效的分析诊断和产品内在本质的改善;痕迹分析技术得以广泛应用;失效预测预防的理论、技术和方法也取得了一些进展。21世纪机械失效分析领域面临着的首要问题是机械失效学科的建立和完善;引起国际学术界高度重视的另一问题是固体材料环境损伤的演化诱致突变及其预测,由于构件的损伤乃至失效通常是远离平衡条件下的非线性演化过程,其分析与预防涉及到宏、微观及细观的各个层次,包含着对演化诱致突变、样本个性行为以及跨层次敏感性的研究。失效分析得以发展的一些具体方面还包括新材料断口特征及其规律性的研究、构件的安全可靠性评估技术、失效分析中的定量分析技术、微电子系统的失效分析以及失效分析的计算机辅助诊断技术等。
主题词：失效分析 预测预防 发展展望
1 引言
产品失效与人类社会的出现相伴随,人类历史第一个有文字记载的有关产品质量的法律文件早在公元前2025年就诞生了[1]。然而,与简单手工生产基础相适应的古代失效分析,受当时生产力的制约,基本上处于现象描述和经验阶段,其分析技术也主要靠零星、分散、定性的经验世代相传。失效分析受到真正重视是从以蒸汽动力和大机器生产为代表的工业革命开始的。锅炉的一系列爆炸的严重事故,导致英国曼彻斯特蒸汽用户协会的成立[2],并使失效分析成为仲裁事故的法律依据和提高产品质量的技术手段。但由于当时的分析手段主要限于宏观痕迹以及对材料的宏观检验,因此从近代工业革命开始的近代失效分析不可能揭示产品失效的物理和化学本质,也不可能真正推动失效分析技术的高度发展。因此失效分析这一古老的领域只是在本世纪,特别是得益于本世纪50年代末电子显微镜问世及其相关学科发展才得到真正的发展,进入了现代失效分析阶段[3,4]。
产品失效使人类付出了沉痛的代价,但失效分析结果的反馈,不断孕育着新的概念、新的理论和新的抗失效的工程设计方法。本文在总结本世纪机械失效分析领域所取得重大成就的基础上,对21世纪失效分析领域的热点问题提出初步见解。
2 20世纪机械失效分析领域的重大成就
2.1 推动和促进断裂力学分支学科的建立和发展
应当说,失效分析的发展推动了科学技术的发展,而其它学科的迅猛发展反过来也大大推动了失效分析学科本身的发展,尤其是强度和断裂学科的创立和发展便是和失效分析的发展紧密相连。本世纪20年代,Griffith通过对大量脆性断裂事故的研究,提出了金属材料的脆性断裂理论。1938年美国波士顿糖浆储罐突然破坏的恶性事故[5]、1938年比利时Hasselt大桥的突然断裂[6]、以及随后发生在美国俄亥俄州Cleveland的3个液化气储藏罐爆炸[7]、二战期间的“自由轮”壳体的大量脆性断裂事故[8]、以及在1940～1950年间发生的北极星导弹爆炸事故等,大大推动了人们对带裂纹体在低应力下断裂的研究,从而在本世纪50年代中后期产生了断裂力学这一新型分支学科。断裂力学的发展则又促使疲劳断裂的进一步深入研究,如1961年Forsyth提出的“疲劳裂纹扩展的两阶段”和1963年Paris等人提出的并被广泛应用的Paris公式。Paris公式是“损伤容限”设计的基础,它为机械构件设计或失效分析提供了简便的疲劳寿命估算方法。
2.2 断口学
虽然人们用肉眼和放大镜观察分析其断口形貌特征,已有相当长的历史。但断口分析作为一门研究金属断面的科学则是最近半个世纪的事情。
本世纪50年代,随着电子行业的兴起,首先在电子产品领域里将失效分析的成果应用于产品的可靠性设计,使得失效分析进入了一个以数理统计为基础的新阶段。同时,由于科学技术的突飞猛进,作为失效分析基础学科的材料科学与力学的迅猛发展,以及分析仪器的长足进步,特别是分辨率高、放大倍数大、景深长的扫描电镜的问世,为失效分析技术向纵深发展创造了有利条件,并取得了辉煌成果。扫描电镜的应用使对断口的微观细节分析成为可能,直接促进了断口学的完善。因此从60年代到80年代中期,一系列有关不同材料的断口图谱相继出现,1979年我国也出版发行了《金属断口分析》[9],从而使断裂失效分析及其预防得到迅猛地发展。 #p#分页标题#e#
诚然,断口学的发展大大促进了失效分析的开展,但仅仅依靠断口分析就得出失效原因的结论,把断口学当做失效分析的全部内容,这是片面的。
虽然断口学已得到很大发展,但仍有诸多问题,首先是迄今为止的断裂分析还基本上是停留在以断口的定性分析为主。断口学有待发展的另一重要方面是新材料的断口特征以及材料在特殊环境下的断裂行为与其断口特征内在联系研究,如复合材料构件的疲劳断裂的判断就是一个极其棘手的问题。
2.3 痕迹分析
痕迹是一个含义丰富、历史悠久、应用甚多的概念。它可以泛指物体留下的某些印记。从人类出现之前就有的陨石坑,到我国古代的甲骨文和敦煌的壁画,直至现代社会鉴别罪犯的指纹,都是一种痕迹[10]。在刑事检查中首先发展起来的是指纹痕迹分析法。中国第一个提到用指纹鉴别个人的是唐代的贾公彦。他的作品大约写于公元650年,他是着重提到指纹是确定个人方法的世界上最古老的作家[11]。然而,痕迹分析作为科学方法并得以发展始于本世纪50年代,大量信息来自对古代痕迹的研究,“以古论今”的方法在古地理、古环境、沉积学、地质学中得到广泛的应用。
痕迹学应用于失效分析由来已久,但真正成为在失效分析中应用的科学技术应该说是本世纪末的事情,其代表作则是张栋的“机械失效的痕迹分析”[10]。如今,痕迹学也像断口学一样,深入到失效分析的每一个角落,在失效分析中发挥着重要的作用。痕迹学涉及的范围远大于断口学所涉及的范围。
2.4 失效预测预防的理论、技术和方法的巨大进展
除了前面介绍的本世纪失效分析诊断领域在断口学和痕迹学所取得的巨大进展外,本世纪最后20年在失效预测预防的理论、技术和方法也取得了巨大进展。如安全状况的评估、剩余寿命的预测、累积失效概率的预测以及失效预防理论和技术的进展。
我国在预测预防理论方面进展最大的是在压力容器的安全评定方面所取得的成效。国标“含缺陷压力容器安全评定”(征求意见稿)[12]以现代科学技术发展为其理论基础,充分吸收国内外压力容器安全评定技术和规范最新成就和发展趋势,使得这个规范具有国际90年代的先进水平,对我国压力容器和其它结构件的安全可靠使用具有特别重要的作用。
机械失效分析从50年代末以来得到了迅猛发展,使机械失效分析从一种简单实用的事故分析技术即分析机械失效原因,进而为预测预防再失效的一门技术向一个分支学科飞跃提供了基础。作为正在兴起的分支学科,在即将来临的21世纪,机械失效分析领域面临着众多的机遇和挑战,有众多的热点领域等待着我们进行深入系统的研究。
3 21世纪失效分析领域的一些重要问题
3.1 机械失效分支学科的建立和完善
机械失效学是研究产品的失效分析诊断、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的分支学科,其发展是以近代科学技术的高速发展相关联的。尽管机械失效学雏形的“基本内容”以及“内涵和外延”早在十多年前就已提出[13],失效诊断理论的主要支撑科学技术——断口学和机械失效痕迹学也已得到很大发展,但失效分析作为一门分支学科,其体系的系统性和完整性还远远不够完善,与相关学科的“边界”还远不够明确,特别是失效预测和失效预防理论、技术和方法还未形成相对独立的科学体系,这无疑将限制失效分析领域的发展。即使机械失效诊断学得到相对充分发展和相对完善,目前人们仍依据经验或根据已有的断口、裂纹、金相图谱来进行失效诊断。但是现有的图谱和案例集基本上仍是损伤定性的“特征诊断”。虽然也有一些定量分析的结果,但这些结果大多只是特定条件下的定量分析,尚不能给出损伤失效特征随条件变化的系统规律性认识的诊断依据。近年来,人们在金属疲劳断口物理数学模型[13]和定量反推原始疲劳质量[14]以及疲劳应力等方面进行了一系列的研究工作,但失效诊断也还处于定性分析阶段,这与失效分析作为一门分支学科是不相称的。因此,21世纪初期将是失效分析从感性向理性转变的重要时期。 #p#分页标题#e#
3.2 固体材料环境损伤的演化诱致突变及其预测
任何材料都在特定环境下服役,材料的失效取决于材料的环境行为。材料与服役条件交互作用的结果,使材料的组织、结构和性能发生变化,甚至最终导致材料的失效。材料的环境失效机理涉及材料、物理、化学、机械、电子等学科领域,其研究成果将构成改善材料品质的创新技术的理论基础,使材料的设计从被动的提高环境抗力到主动的适应多元环境的飞跃,并必将促进宏、微观弹塑性断裂力学、疲劳学和安全评估等学科的协同发展,建立、发展和完善与环境失效有关的模式、诊断、预测和控制等理论。
材料的环境行为具有多因素偶合作用和非线性损伤累积效应的特点,如温度变化和机械载荷的偶合作用、应力和腐蚀环境的交互作用等,其失效通常是远离平衡条件下的非线性演化及其突变过程,其研究涉及宏微观的各个层次,包含着对演化诱致突变、样本个性行为以及跨层次敏感性的研究。环境因素偶合效应的物理机制、多因素作用的非线性损伤叠加理论、损伤累积过程的描述和物理数学模型,将成为材料在复杂环境过程中失效评价和控制的理论基础。在此基础上,人们将建立复合作用下材料和结构的寿命预测模型,完善复杂环境下的材料与结构的损伤容限模型、剩余寿命估算方法、耐久性分析技术和日历寿命分析技术,并进一步研究新型防腐蚀,损伤愈合,止裂和表面工程技术。
3.3 新材料断口特征及其规律性的研究
机械失效分析几乎均涉及对材料抗力和构件承受外力(包括环境介质等)的分析。由于科学技术的迅猛发展,新材料在工程上得以广泛应用。不仅像陶瓷、工程塑料与复合材料这些与传统金属材料在力学行为、化学特性及断裂本质等方面存在巨大差异的新材料的断裂特征需要预先进行一些基础性研究,就是传统金属材料本身,由于现代制备技术的日益改进,像粉末冶金、定向凝固及单晶制备技术的大量采用,也使得损伤特征与原来发生了很大的改变。
如定向凝固合金含有特定细观结构的各向异性材料,材料细观单元及其构造的动力演化控制了材料的力学损伤破坏过程,从而构成了定向凝固合金主干、枝晶干及枝晶间的不同强度和韧性,在受力作用下当合金主干、枝晶干处于弹性变形范围时,枝晶间已处于塑性变形甚至开裂,即局部已受到严重的过负荷损伤。相对于金属材料而言,复合材料、功能材料涉及的领域更为广泛,其分析技术更需要多个学科的相互促进和相互提高,仅以对复合材料性能起重要作用的界面而言,层板材料之间、聚合物之间、聚合物和金属之间以及陶瓷与金属之间等界面失效特征与机制及预防措施的研究就是一个极为重要的领域,是急待加强与深入研究的“自由王国”之一。
3.4 构件的安全可靠性评估技术
对于大型构件,由于在设计、制造、装配、使用和维修等阶段存在诸多的不确定因素,实际构件所受的外力不仅随工况不同而改变,而且还受偶然性的影响;同时构件的抗力也由于材料组织的不均匀、内部缺陷的随机分布和加工制造的不一致,存在很大的分散性。因此其失效受偶然性和必然性两个方面因素的影响。然而任何偶然性造成的随机性在子样大时总体上必然服从某些统计规律,即事物从无序状态转化为一定的有序状态,这就为构件安全可靠性评估提供了基础。
构件的安全可靠性评估不仅需要对过去同类产品的使用数据收集和统计分析,且涉及表征构件的各种基本参数的分散概率及其对构件失效的影响的研究,在此基础上建立构件安全可靠性或失效概率的物理数学模型,并通过数值计算和实验或计算机模拟验证,从而达到产品和构件安全可靠性评估的目的,使产品在规定工作条件下,在完成规定功能下并在规定的使用寿命内因断裂等造成失效的可能性减低到最低程度。
3.5 电子产品及控制系统的失效分析
现代技术的不断发展,对电子元器件的种类和精细程度的要求越来越高,但电子产品出现失效与故障的频率也一直很高,加之电子元器件种类繁多,其功能各式各样,失效形式又常常具有随机性和偶然性,失效分析工作面临的领域更广,难度更大。控制系统功能繁多,失效模式复杂多样,分析检测的难度很大。预计这一领域在21世纪必将是失效分析工作者重视的热点之一。 #p#分页标题#e#
3.6 失效过程的计算机模拟与辅助诊断
计算机已广泛用于设备操纵和控制系统。在安全监控、设计、生产及维修中的自动化方面、航空产品可靠性设计与提高,计算机都发挥着重要的作用。由于材料或构件的失效过程很复杂,至今还无预测材料、构件和设备的损伤倾向和评估剩余寿命的有效手段,对于失效机理和失效过程的认识基本上仍是唯象的和定性的,用计算机模拟材料和构件失效的动力学过程,不仅可证实失效机理和失效原因的分析是否正确,而且为材料和构件的设计提供了科学依据。近年发展起来的用计算机模拟失效件断口和失效特征形貌技术,无疑为计算机辅助诊断和模拟损伤过程提供了必要条件。失效过程的计算机模拟与辅助诊断包括失效库的建立,断口的三维重建与模拟,损伤过程的动力学模拟和再现。在上述基础上,借助神经网络原理,最终形成具有自学习功能、用于分析材料及构件损伤行为和失效机理的人工智能系统。
4 结束语
与失效作斗争是人类社会永恒的重要社会和科学活动之一,产品失效的机理研究是人类所面临的许许多多的难题之一。历史表明,这些难题仅用单一学科和简单还原论是难以解决的,要求我们采用更加整体化、多学科交叉整合的方法来加以解决。“当前科学正处于一个新的转折点,这就是复杂学科的兴起。复杂学科主要是研究复杂性和复杂系统的科学,它是包含许多学科的科学大集成”。可以这样认为,机械失效学就是这样一门复杂学科,它应当像其它被誉为“21世纪的科学”一样,得到迅猛的发展。
