失效分析作为一门不断发展中的综合性学科，其价值和作用远不止对产品在使用中发生的失效进行事后分析，它能够贯穿产品的全寿命周期，从设计、研制、组装到运行、维护、管理等不同环节进行事前分析、事中分析和事后分析，实现对产品结构完整性的全面评定。更重要的是，它在新产品设计、新材料研发、现有材料改性、加工工艺改进、产品质量控制、可靠性提高、结构系统优化、运维策略制定，以及安全监督管理等各个环节，从理论上指明了改进的方向，通过创新驱动，服务于新质生产力。

 

然而，现有的失效分析体系有待拓展和完善。一方面，大量的失效案例在充实和丰富失效分析内容的同时，对现有体系也提出了新的要求，以应对各种复杂失效问题的分析和预防。另一方面，随着材料技术和加工工艺的不断进步，越来越多的高性能工程材料应用于不同工业领域，其失效机理变得复杂又多样。以新型复合材料和纳米材料为例，它们凭借其独特的性能在许多领域获得了应用。然而，其失效行为采用现有的失效分析体系难以解释。改性的高密度聚乙烯塑料无需纤维增强，就能替代金属材料作为特种管道，目前已规模化应用于核电站三回路管道、城市燃气管道、防腐蚀输送管道等工业领域。但是，在实际使用中，一些新的失效现象如性能的劣化、退化、脆化、老化等逐渐显现，需要开展深入的研究和分析。因此，现有的失效分析体系需要充实和完善，以提供更完整的分析体系，这是工程上的迫切需求，也是技术进步的必然。

 

对此，笔者探究了现有失效分析体系存在的问题，以促进其完善和发展。首先，评述了失效的多种定义，在此基础上提出了失效的新定义，以深刻理解失效的本质。然后，给出了失效模式的新分类，阐明失效模式的物理含义和特点。采用提出的畸变失效模式取代以往常用的变形失效模式，论述畸变与变形的本质区别及其内在联系，使失效分析能够涵盖和解释更复杂的失效现象。随后，引入“五要素”概念，即失效模式、失效形式、失效缺陷、失效机理和失效原因，构建出失效分析新体系，失效形式的嵌入使得该体系更加完整。接着，阐述了失效模式与失效机理的区别，强调失效机理是失效分析的关键。最后，给出金属材料失效模式与失效机理相互关系的新表述，揭示出不同的失效机理对应于不一样的失效原因。

 

1.失效的新定义

 

结构系统是由不同类型的构件通过合理搭配连接而成的。构件（component）是结构系统中具备特定功能的可更换单元。它既可以是不可拆分的单一零件，也可以是由多个零件连接而成且不会发生相对运动的组合体。就管路系统而言，直管用来输送介质，弯管用于改变介质流向，变径管用作调整介质流速，多通管用做介质分流，不同的构件赋予不同的功能。

 

构件是由各类工程材料制成的，材料是保障其安全使用的基础。然而，构件在使用过程中可能出现意外失效的情况。其原因可能源于设计环节的不合理、材料的品质一般、加工与制造过程中的工艺失误、安装过程中的不规范操作等原始缺陷，也可能是在使用过程中因腐蚀、磨损、疲劳、蠕变、辐照等因素而产生的次生缺陷。失效分析是用来确定材料缺陷产生的源头，通过对缺陷特有的“指纹”或“基因”进行深入的分析，最终能够追溯并找到失效的根本原因。

 

从材料学视角来看，失效的本质是一个值得探究和思考的基本问题。只有深刻理解失效的物理含义，才能真正洞察失效的本质，揭示失效的源头及其演变过程，找到失效的根本原因，从而针对性地采取整改措施，防止同类失效的再次发生。

 

然而，在当前公开的众多文献中，失效的定义往往因主体不同而有所差异。不同行业的学者基于各自的研究领域，对失效有着不一样的定义和认识。

 

《新华字典》是从社会学角度来定义失效的：“失效意味着丧失功效”。这个定义简洁明了，易于理解，但没有将失效与材料联系起来。

 

国家标准GB/T 3187—1994《可靠性、维修性术语》中对失效是这样定义的：“产品终止完成规定功能的能力这样的事件”。这一定义在一定程度上与材料联系了起来，因为所有有形的产品是由材料制成的，不包括无形的软件产品。

 

钟群鹏院士作为我国失效分析学科创始人之一，其主编的《材料失效诊断、预测和预防》一书中对失效的定义为：“机电产品丧失功能的现象称为失效”，这个定义与材料直接联系在一起。而已故材料学大师师昌绪院士主编的《材料大辞典》中对失效的定义则是，“失效，又称复合材料的破坏，指复合材料在经过某些物理、化学过程后（如外力作用、材料老化、温度和湿度变化等）发生了尺寸、形状、性能的变化而丧失了规定的功能”。此定义适用于复合材料，但并不能涵盖所有材料。

 

同样，国外对失效的定义也有不同的认识。最具权威性的定义出自美国金属学会手册（ASM Handbook）。2021年更新出版的《美国金属学会手册 第11卷：失效分析与预防》中给出如下的定义。

 

任何服役的构件，若有以下3种状态之一时，即判定为失效。

 

（1）已经完全不能运行。

 

（2）仍可以运行，但不能满意地执行其设计规定的功能。

 

（3）已经严重恶化，变得不可靠或继续使用变得不安全。

 

该定义是基于服役中的构件可能出现的3种不安全状态提出的，这3种状态分别是完全失效、部分失效以及即将失效。

 

由上述内容可以看出，在不同领域中，对于失效的含义存在着不同的理解，且其定义差异性较大。因此，为了实现对失效概念的统一认识，有必要从材料本身的特性出发，对失效进行更科学、准确的定义。笔者从材料学角度出发，给出如下的失效新定义：“失效是指产品因外观形态或微观结构发生变化而不能满意地完成设计规定的功能”，失效新定义的内涵如图1 所示。这个定义意味着，只要产品（构件）的外观形态或微观结构二者之一发生变化，如不能满足设计规定的功能，则判定为失效。

 

具体而言，外观形态是指构件失效后的宏观形貌及其损伤现象，采用肉眼、相机或手机可以观察和识别。外观形态反映了构件失效后的表现形式，其形貌特征对于判定构件的失效类型相当重要，一般分成以下4种状况。

 

（1）完全断裂：构件截面发生整体分离，留下断口。

 

（2）局部损伤：由腐蚀、磨损、疲劳、蠕变、辐照等因素引起构件的局部损坏，表现为凹坑、磨痕、孔洞、裂纹、银纹等缺陷；严重时也会断裂，留下断口。

 

（3）变形过大：薄壁构件、传动部件、复合材料结构件等发生过大的变形，影响其完成预定的功能，严重时也会断裂，留下断口。

 

（4）表面变性：电子器件等表面污染、变色等现象。虽然没有可见的断口，但表面性质已发生明显的变化，影响其物理性能。

 

微观结构是一个广泛的概念，具体含义取决于应用的领域。这里定义的微观结构，是指构件失效时在微纳米尺度下材料内部的缺陷形态及其演变过程。由于微观缺陷尺寸太小，必须借助一些高分辨率显微分析方法才能观察清楚，比如扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、聚焦离子束（FIB）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、同步辐射（SR）等，揭示微观缺陷的产生源头及其损伤演变过程。这些缺陷按照尺寸大小可以分为以下6类。

 

（1）电子缺陷：电子空穴、电子缺失、电子湮灭、载流子迁移率不均等。

 

（2）零维缺陷：晶体中的空位、异质，聚合物主链的断链、降解、交联等。

 

（3）线状缺陷：晶体中的刃型位错、螺型位错、复合位错等。

 

（4）面状缺陷：晶界、亚晶界、孪晶界、相界等缺陷，以及层错、分层、微裂纹等。

 

（5）体状缺陷：夹杂物、气孔、异物、未熔合、成分偏析等显微缺陷。

 

（6）组织退化：碳钢中珠光体的溶解与石墨化，亚晶粒的回复与再结晶，高温材料的蠕变损伤，中子辐照后的材料脆化，高温下单晶镍基叶片退化为多晶与表界面元素的互扩散，腐蚀介质中材料发生晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等。

 

因此，为了定位构件的失效源，解析材料的失效行为，鉴别失效机理，进而确定失效的根本原因，需要综合运用多种表征分析方法。这些分析方法从极大到极小两个方面，对失效源的缺陷形貌、形态、成分、结构，以及应力分布等进行观察和分析。只有全方位、多层次的剖析，才能确定缺陷产生的源头及其失效的根本原因。

 

2.失效分析新体系

 

失效分析的目的是找到失效的根源，预防同类失效的再次发生。其分析过程必须紧密结合现场调查和检验检测，在对各种数据进行整合和比较后，才能开展综合性分析。即从宏观到微观、从块体到表面、从无缺陷到有缺陷、从表象到本质，根据逻辑关系，推理和解析失效的主要影响因素，最终确定失效的根本原因。

 

失效分析并非是简单的检验检测及其测试结果的对比，而是一项全面、系统且完整的综合性分析工作。为确保整体分析的科学性与严谨性，必须依据科学理论，严格遵循主要步骤进行规范操作。在此基础上，从逻辑关系层面构建起失效模式、失效形式、失效缺陷、失效机理与失效原因的相互关系（见图2）。因而，失效分析的完整流程通常包含5个关键环节：失效模式的初步判定、失效形式的清晰界定、失效缺陷的精准认定、失效机理的科学鉴定以及失效原因的正确确定。这5个环节在失效分析过程中发挥着至关重要的作用，它们相互衔接、相互验证，共同构成了一套完整的失效分析新体系。

 

具体而言，失效模式的初步判定是整个分析的起点，它是对失效现象的详细观察和描述，为后续分析指明大致方向。失效形式的清晰界定则进一步明确了具体的分析对象及其缺陷的主要性质，为深入探究奠定基础。失效缺陷的精准认定是整个分析过程中最为关键的一步，它直接关系到失效分析是否具有实际意义，必须精准定位到失效的源头。失效机理的科学鉴定则是通过微区的表征分析以及其他的介质分析、表面分析等，揭示缺陷形成时在材料内部发生的物理、化学等多方面的损伤变化过程及其产生的原因。而失效原因的正确确定则是失效分析的最终目标，它是通过系统完整的综合分析来决定的，从而为后续改进措施的制定提供可靠的依据。

 

在这一整体分析过程中，前一个环节为后一个环节提供指引，后一个环节则为前一个环节提供实证和复现，二者相辅相成。通过这种紧密的衔接与相互验证，失效分析新体系能够为失效原因的确定提供坚实的理论依据和可靠的数据支持，从而为解决方案的制定奠定基础。

 

2.1 失效模式

 

失效模式是构件失效后的外观表现形式。对于结构材料，失效模式指的是构件失效后呈现的宏观形貌特征及其损伤现象，也称失效类型。对于电子材料，失效模式是指器件失效后的外在表现形式。

 

一般而言，失效模式是对构件失效后的表观现象进行大致描述，比如断裂、腐蚀、磨损等。不论是结构材料还是功能材料，失效模式均相当直观，反映构件失效后的表现现象。它既不涉及失效机理，也不涉及失效原因，仅是失效现象的概要描述，不论及为什么失效。然而，国内一些学者未能正确理解失效模式的物理含义，不恰当地将其视为失效分析的核心。有的将失效模式划分为一级、二级、三级、四级等不同级别；也有的将失效机理和失效原因误作为失效模式的组成部分；还有的认为只要失效模式描述清楚，等于找到了失效原因。这种对失效模式物理概念的混淆，误导了一些失效分析工作的初学者。因此，很有必要正本清源，对失效模式的物理含义进行科学解释，揭示其物理本质。

 

事实上，通过目视检查或手机拍照的方式，就可以初步识别失效模式，大致判断出构件属于哪种类型的失效，无需借助其他的物理分析方法。根据大量的失效案例呈现的失效形貌特征，工程材料的失效模式一般分为4个大类：断裂失效模式（fracture failure mode）；腐蚀失效模式（corrosion failure mode）；磨损失效模式（wear fracture failure mode）；畸变失效模式（distortion failure mode）。其中，畸变失效模式是笔者近10年在国内外失效分析学术会议上提出的。

 

失效模式类型多样，一般与外力作用、材料性质、使用条件、结构型式等有很大关系。根据不同学科的性质，失效模式也可以称为机械失效模式、材料失效模式、物理失效模式、化学失效模式、电气失效模式、电子失效模式、软件失效模式、衰减失效模式、环境失效模式、生物失效模式、管理失效模式等。文章聚焦的是与外力密切相关的、应用最为广泛的机械失效模式或材料失效模式。

 

2.1.1 断裂失效模式

 

断裂失效模式是指构件在外力作用下发生断裂引起的失效，形貌特征显示在断口上。

 

根据断口形貌特征，比如变形程度、凹坑分布、平整度、粗糙度及颜色等，断裂失效模式进一步分为脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等。这是对断口形貌特征的进一步描述，有时称为断裂的二级失效模式。

 

断裂失效模式是以断口形貌为分析对象，通过细致的观察和分析，初步辨别失效类型，为后续研究提供大致的分析方向。然而，构件发生意外的失效有时是多因素引起的，因而失效模式呈现混合型形态。例如，断口上有断裂与腐蚀、断裂与磨损、断裂与畸变、腐蚀与磨损、磨损与畸变等交互作用留下的复杂形态。在这种情况下，失效模式的识别变得困难，稍有不慎，有可能把主因和次因的关系颠倒。因此，针对多因素引起的失效，失效模式的判定需要结合运行条件和微观分析，再通过失效机理的鉴别，最后才能确定是什么样的失效模式。如果失效模式判定有误，随后的研究会遇到极大的麻烦，逻辑关系不清晰将会对失效原因误判。这也是现实中有那么多重复失效案例发生的原因。

 

因此，虽然失效模式是宏观的，识别相对容易，但辨别时仍需观察细致，辨识精准，做到失效模式的判断正确。

 

2.1.2 腐蚀失效模式

 

腐蚀失效模式是指构件与介质发生电化学反应或化学反应，导致其表面减薄或穿孔引起的失效。

 

腐蚀失效模式展现的是构件在介质、环境等作用下引起的失效现象，不是以外力为主引起的失效。因此，通过观察构件表面凹凸不平形貌及其成分分析，再结合介质分析和材料分析，可以推测其经历的腐蚀过程与腐蚀机理，进而追溯失效的根本原因。

 

2.1.3 磨损失效模式

 

磨损失效模式是指构件与另一构件或介质相互接触且相对运动时，由表面持续损耗导致形状和尺寸的改变引起的失效。

 

磨损失效容易理解，识别方便。其失效过程是构件间相互接触且相对运动，产生的摩擦磨损改变了表面形状，最终导致失效。因此，只要细致观察构件表面的摩擦痕迹和磨损形貌，可以把握磨损的基本规律及其磨损机理，进而推断出磨损失效的原因。

 

2.1.4 畸变失效模式

 

断裂、腐蚀和磨损是工程材料中常见的3种失效模式，这3种模式形貌特殊，辨识清晰，因而获得了国内外学者的广泛认同。然而，并非所有构件的失效均可以归结为3种失效模式之一。譬如，薄壁结构件、大长径比传动轴、细长型构件、复合材料结构件、印制电路板等因弯曲变形过大引起的失效案例相当常见，却难以用上述3种失效模式进行解释。

 

针对这一技术问题，笔者基于不同领域发生的大量失效案例开展了深入的分析和比较，提出了一种畸变失效模式。畸变失效模式在《美国金属学会手册 第11 卷：失效分析与预防》中也有相关介绍。国内部分学者将其误译为变形失效模式（deformation failure mode），这种现象在国内许多失效分析的专著、教科书、手册及论文中随处可见。把畸变失效误作为变形失效，原因在于未能准确理解畸变的物理含义。

 

鉴于畸变失效模式目前尚未被广泛认可，甚至还有误解，因而有必要对其物理含义进行详细的阐述。这不仅有助于理解薄壁构件和非金属构件失效背后发生的复杂物理现象，还为失效分析体系夯实了基础理论。

 

畸变失效模式是指构件在外力、温度等因素作用下，因弹性变形过大不能达到设计规定的功能而失效。顾名思义，畸变是一种大变形，是指超过了设计限定的结构变形的极限值即阈值。从物理学角度来看，畸变失效是指构件在满足材料强度的前提下，因结构的刚度不足发生了过大的弹性变形，导致构件间连接失去匹配性，最终不能完成设计规定的功能而失效。在有些情况下，畸变失效也会引起构件的断裂。例如，在野外作业的大型起重机，其吊臂因结构变形过大发生偏斜，承载应力重新分布，从原来的拉弯承载方式转变为拉弯扭复杂承载方式，最终导致吊臂断裂，呈现断裂与畸变的混合型失效形貌。还有，像复合材料结构件和微电子器件，在完全满足材料强度的条件下，材料因温度应力产生过大的弯曲变形或翘曲变形而失效。

 

事实上，构件的变形包含材料变形和结构变形两部分，涉及微观和宏观两个层面。材料变形一般属于微观层面，是其内部原子间平衡位置发生变化而显现的变形，它与材料承受的应力和弹性模量有关。当然，在过载或高温等条件下，材料也会出现大变形，如果这样，可归为断裂失效模式。结构变形属于宏观层面，反映构件的形状和尺寸发生较大的形变，其不仅与弹性模量和外力有关，还与构件的横截面惯性矩、结构间连接型式、几何形状及尺寸有着密切的相关性。同时，变形是一个中性词，因而有正效应和负效应。从正效应来看，大多数金属构件是通过热变形或冷变形加工成型的，变形在材料的加工、制造中起着重要的作用。例如，金属板材在轧制过程中，通过冷轧变形提高材料的强度和硬度。在锻造工艺中，热加工变形使材料内部组织更加致密，可提升材料的力学性能。然而，某些情况下的变形则带来负效应。以车间大型吊车操作为例，其横梁横跨在两边的导轨上，承担起吊重物的任务。如果起吊的物件过重或偏心承载，横梁的挠度可能超过设计限定的变形临界值（阈值）。此时，横梁的弯曲变形过大，导致两边车轮的转角超出限定值，车轮将直接被卡死，吊车因弯曲变形过大失去移动功能而畸变失效。显然，把变形失效看作是机械失效模式中的一种是不恰当的。

 

此外，变形与畸变紧密关联，但二者物理含义明显不同。变形是材料产生应变后的体现。畸变则是变形的极限值，属于不正常的结构变形，超出了设计限定的阈值。当构件的变形超过设计限定的阈值，如挠度、转角或扭角等，将失去应有的功能而失效。从材料学角度看，变形与畸变的关系，类似于应力与强度的关系。构件承受的应力一旦超过材料的屈服强度或抗拉强度，其塑性变形无法恢复，随后便是失效。同样，构件在满足材料强度条件下，因结构的刚度不足，变形超过了畸变的阈值，因弹性变形过大，材料失去设计规定的功能而失效。

 

因此，畸变与强度一样，也是判断构件失效的一种材料准则。当构件的弹性变形超过畸变值（设计限定的阈值）时，由于不能满意地执行设计规定的功能而失效。所以，畸变是机械失效模式中的一种，是工程材料的第四种失效模式。

 

2.2 失效形式

 

失效形式是指构件失效后失效缺陷的几何位置及其损伤特征，是对失效模式下宏观形貌的具体描述。它包含失效缺陷的大小，单位一般在毫米级与微米级之间，这与传统的失效形式含义有所不同。

 

通常而言，有些缺陷如夹杂物、凹坑、气孔、微裂纹等，在构件失效后仍然保留在断口上，有的会缺失。比如，化工厂用工艺管子泄漏前的原始缺陷可能是夹杂物、凹坑、压痕等，泄漏后缺陷被介质冲刷掉。针对此类的失效现象，失效形式的描述显得相当重要，再结合其他的分析方法，如表面分析、介质分析、材料分析、力学分析等，才能精准追溯到失效的源头和起因。举一个简单例子，一台常规热交换器的某根管子发生泄漏，留下了破口，失效形式描述应包括但不限于以下一些基本信息。

 

（1）破口位于管子进口侧或出口侧的哪个位置，是在管板内、管板外，还是在支撑板处。

（2）破口沿着管子环向的哪个方位，从顺时针方向自上而下的角度位置，倾角有多少。

（3）破口的泄漏方式是从管内向管外、还是从管外向管内。

（4）破口的形貌，如表面光滑、粗糙，或吸附沉积物，破口是准圆形、椭圆形或其他特别的形状，其面积和尺寸有多大。

（5）破口边缘周围是否有异物，是否发生变形等。

 

根据破口失效形式的描述，再结合热交换器的工艺参数，如温度、压力、流速、介质、运维方式等，才能初步判定破口是由哪些因素产生的，然后确定具体的分析方向。例如采用微区分析、表面分析、介质分析等，为找到破口的产生原因提供指导性意见。需要强调的是，失效形式不仅包含缺陷的几何位置和尺寸大小，还包含缺陷本身的性质及特点，因而缺陷描述得越具体、越详细，后续的深度分析越有效。

 

此外，失效形式是连接失效模式、失效缺陷及失效机理的桥梁，通过失效形式，把三者有机地联系起来，相互推理，相互验证，起到衔接、关联的作用。当然，对于简单构件，如密封垫片或固定螺母，失效形式等同于失效缺陷。对于大型构件的失效，失效形式在失效机理分析时有重要作用。例如，对于以外力为主的大直径轧辊及主轴、大型结构件等失效，失效形式包含失效源的具体位置和缺陷性质的具体描述，为失效分析提供了关键线索和载体。对于非外力引起的非金属构件的失效，失效形式的描述更为重要。例如，聚合物构件在特殊条件下发生性能老化、微电子器件及功率模块因温度引起封装层开裂，以及复合材料层合板异种界面因物理性能不匹配而分层等。对于此类构件的失效分析，失效形式的详细描述对于确定失效的源头以及产生原因起到关键的作用。

 

2.3 失效缺陷

 

失效缺陷是指引起构件开裂或损坏的原始缺陷，例如夹杂物、气孔、偏析、划痕、凹陷、凹坑、微裂纹等一些缺陷。其中，夹杂物、气孔、偏析是材料冶炼时留下的原始缺陷；划痕和凹陷是构件在成形或热处理时因操作工艺不当引入的加工缺陷；凹坑、微裂纹等是构件在使用中由介质、外力等因素作用产生的服役缺陷。

 

不同类型的缺陷在腐蚀介质、疲劳应力、流体冲刷等苛刻条件下易成为应力集中源，成为材料开裂的源头。因此，失效缺陷的性质鉴别，对于失效原因分析相当重要。关键是精准确定缺陷源头及其性质，而非次生缺陷。比如，在应力腐蚀开裂下产生的裂纹往往是形状不规则的分叉裂纹，如果不能精确定位裂纹产生的源头而去分析其他的次生裂纹，其失效分析基本上失去意义。

 

总之，失效形式与失效缺陷存在内在联系。失效形式涉及的是一个面，包括缺陷位置及其损伤特征，失效缺陷涉及的通常是一个点，失效形式包含失效缺陷，反之不亦然。失效形式为失效机理、失效原因等提供了分析载体和具体细节，比失效缺陷提供了更完整的信息。

 

2.4 失效机理

 

失效机理是指构件在失效过程中材料所经历的物理、化学等多方面相互作用的损伤演变过程。它涵盖了材料从微观、细观到宏观多层次变化，包括材料内部微观结构的改变、化学成分的扩散、迁移及反应、力学性能的逐步退化等。这些因素的相互作用，导致构件的性能下降，最终不能满足设计规定的性能而失效。

 

以腐蚀失效模式为例，失效机理有电偶腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂等，这些腐蚀机理的产生原因各不相同，而失效模式却是相同的。由此可以看出，失效模式是构件失效后的外观表现形式，即失效是什么，是对失效原因的初步判断。而失效机理是揭示构件在失效过程中材料内部缺陷的产生源头及其损伤演变过程，即为什么失效，因而失效机理是确定失效原因的关键。

 

总之，失效机理涉及材料微区的缺陷源头及其损伤演变过程，需要有效地应用材料、物理、化学、力学、工程学等多学科交叉的综合知识和研究能力进行表征分析。材料缺陷产生之初一般是微纳米尺度，必须借助电子束、离子束、中子束、同步辐射等高分辨率物理分析方法，才能观察微纳米尺度下的损伤源头及其损伤过程。就尺寸来说，失效机理与失效模式的关系类似于微观与宏观的关系，两者相差巨大，但又紧密联系。比如，疲劳应力引起的构件失效，其断口在微观尺度上留下疲劳辉纹，在宏观尺度上表现为贝壳纹线，前者需要电子束等才能辨别，后者通过目测识别。只有通过失效机理分析，才能将外部因素如外力、介质、温度、湿度、环境等对材料损伤过程的影响，包括组织结构、化学成分、表面状态、应力分布及其变形等损伤过程有机地联系起来。

 

因此，失效机理鉴定是失效分析过程中最有创新的工作，需要定位精准，观察细致，分析得当，这样才能够分析清楚材料微区的损伤演变过程，为找到失效原因提供理论依据和可靠证据，堪称是失效分析研究的核心。

 

2.5 失效原因

 

失效原因是指引起构件失效的关键因素，分为根本原因( 主要原因)、次要原因和相关原因。例如，电化学腐蚀、疲劳载荷、接触磨损、外力超载等。准确判定哪个因素是根本原因，要以失效缺陷为源头，对缺陷的形态、组成、成分、相组织、变形等进行深入的分析，鉴别出哪种失效机理，随后给出不同因素产生的影响，按其影响大小分别列出，明确失效的根本原因、次要原因和相关原因。

 

3.失效模式与失效机理相互关系的新表述

 

一些学者基于不同领域的失效案例和经验总结，尝试建立起失效模式、失效机理与失效原因的相互关系。美国电力研究协会（美国电力研究院）率先结合大量失效案例对火电厂锅炉系统开展分析和总结，针对锅炉系统“四管”的省煤器管、再热器管、水冷壁管、过热器管等常见的失效现象，采用断裂、腐蚀、磨损三种失效模式关联了失效模式、失效机理与失效原因的相互关系，为火电行业管道失效原因的诊断提供了基础。

 

近十年来，笔者承担完成了12个行业委托的众多重大失效分析课题，分析了不同的失效机理，并分享了研究结果。经过认真比对、凝练和分类，给出了金属材料失效模式与失效机理相互关系的新表述（见图3）。在这一新表述中，除了增加许多新的失效机理外，还采用畸变失效模式取代了变形失效模式。2013年9月，在大连举行的“第五届全国失效分析学术会议”做的大会报告提出了新表述。2022年7月，在“第九届国际工程失效分析会议（ICEFA IX）”做的大会主旨报告中又有进一步论述，从而为失效分析新体系的建立奠定了基础。

 

金属材料失效模式与失效机理的相互关系如图3所示，左侧两列是失效模式的分级类型。其中，一级失效模式包含断裂、腐蚀、磨损、畸变4种失效模式，二级失效模式是依据断口或缺陷形貌特征对一级失效模式的进一步细化，实际上就是前述失效形式的一部分。右侧是与4 种失效模式对应的不同类型的失效机理。这些失效机理显示出失效过程的多样化和复杂化，从微观上反映了材料性质、加载方式、工艺介质、环境条件等多因素作用下的不同损伤过程，显现出不同条件下的不同失效行为，隐含不一样的产生原因。需要指出的是，一些相近的失效机理如腐蚀，在宏观上却呈现出相同的腐蚀失效模式。这进一步表明，失效模式是失效原因的初步判定，失效机理与失效原因直接关联在一起，是失效分析的核心。

 

一般而言，失效模式反映了构件在宏观尺度下的失效现象，失效机理揭示了材料在微观尺度下的失效行为，二者的尺寸相差了103~106数量级。显然，在失效模式与失效机理之间，还有一个衔接它们的物理参量，尺寸单位介于毫米与微米之间，这就是失效形式。因此，失效形式如同一座桥梁，将两侧的失效模式与失效机理连接了起来，失效机理把失效模式、失效形式、失效原因联系了起来。

 

以下就图3所示的4种失效模式与对应的失效机理的物理含义进行概要陈述。

 

3.1 断裂失效模式与失效机理

 

断裂失效模式是与外力有关的失效现象。

 

依据断口的宏观形貌及其变形状态，断裂失效模式一般分为脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等4种。

 

（1）脆性断裂

 

脆性断裂的形貌特征显著，断口上无明显可见的塑性变形，表面光滑，外观为齐平式。微观层面表现为解理型形态，一些高强合金钢、厚截面结构件等在特殊环境下的断裂常常呈现此特征。对应的失效机理包括解理断裂、厚截面断裂、沿晶断裂、低温脆断、辐照脆化、氢脆开裂等。

 

（2）韧性断裂

 

韧性断裂亦称延性断裂或塑性断裂，其断口有明显可见的塑性变形，表面粗糙，宏观上为杯锥形变形形貌，微观上是不平整的韧窝形态。大多数碳钢和低强度合金钢断裂时展现此特征，其失效机理主要有大变形断裂、韧窝断裂、塑性断裂等。

 

处在脆性断裂与韧性断裂之间的断口形态称为韧脆性断裂。断口上有部分结晶状脆性断裂和部分纤维状韧性断裂。例如，在低温环境下，普通碳钢受到冲击力作用时，将有韧性断裂与脆性断裂混合型断口形貌。当然，韧脆性断裂的韧脆性面积比例与材料本身的韧性大小及其冲击力速度有着依赖关系。

 

（3）疲劳断裂

 

疲劳断裂是指构件在交变应力作用下发生低应力的脆性断裂。断口上有明显的贝壳纹线，微观上有疲劳辉纹，记录了交变应力作用下应力幅值、应力大小及循环次数等重要信息。与静载断裂相比，疲劳断裂基本上没有可见的塑性变形，表面基本平整，呈现脆性断裂的典型形貌。

 

疲劳断口通常有3 个特征：一是有裂纹起裂区、疲劳扩展区和瞬时断裂区；二是裂纹起始于缺陷处或应力集中区，裂纹在这些薄弱处萌生；三是裂纹疲劳扩展区表面平坦，呈现贝壳纹线，断裂区有撕裂痕迹，凹凸不平，呈现特有的断裂形貌。

 

根据交变应力的大小及其使用条件，疲劳断裂对应的失效机理复杂多样，一般包括应力疲劳、应变疲劳、交变疲劳、高周疲劳、低周疲劳、腐蚀疲劳等。

 

（4）蠕变断裂

 

蠕变断裂是指材料在长期恒定高温、恒定应力的作用下，逐渐发生缓慢的蠕变变形并形成蠕变孔洞，最终引起断裂。其断口相对平整，宏观上有可见的蠕变孔洞及其连体形貌，微观上蠕变孔洞分布在晶界上，部分也会出现在晶内。例如，超超临界火电机组主蒸汽管道、航空发动机涡轮叶片等构件的蠕变断裂占有一定比例。高温下若外力有交替变化，还会出现蠕变与疲劳的交互作用。若接触的介质中含有腐蚀成分，如燃气轮机中的SO2气氛，形成了腐蚀与氧化、腐蚀与蠕变的交互作用。因此，蠕变断裂对应的失效机理主要有高温蠕变、蠕变疲劳、蠕变腐蚀等。

 

3.2 腐蚀失效模式与失效机理

 

腐蚀失效模式是与化学反应和电化学反应有关的失效现象。

 

金属作为一种结构件，材料内部并不完整，性能不太均匀，不同微区间的物理性能有所差异，因而存在电极电位差，使金属与介质容易相互作用产生腐蚀。

 

按照腐蚀的基本原理，腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。

 

（1）化学腐蚀

 

化学腐蚀是指材料与介质发生反应的过程中没有电流产生。具体来说，它是材料发生氧化还原反应，然后被氧化损耗的一种腐蚀形式。例如，化工厂中氯气在加热条件下与钢铁直接反应，生成氯化铁，导致构件表面不断损耗、壁厚减薄。其化学反应式为

 

化学腐蚀主要发生在高温气氛以及与化学介质相接触的腐蚀环境中。因此，高温条件下材料可能遭受高温氧化、高温碳化，以及不同金属在特定腐蚀介质中的化学腐蚀。

 

（2）电化学腐蚀

 

工程材料中最常见的腐蚀是电化学腐蚀。电化学腐蚀是指材料与介质发生电化学反应引起的材料损耗现象。此类腐蚀有正负电极及其电解质溶液。例如，钢铁在潮湿大气中的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀，电极反应和总反应方程式为

 

阳极反应（氧化反应）

 

阴极反应（还原反应）

 

总反应方程式为

 

 

在电化学反应过程中，阳极处铁原子失去电子，发生氧化反应生成二价铁离子Fe2+，阴极处氧与水获得电子后还原为OH-，先生成氢氧化亚铁Fe(OH)2，然后，氢氧化亚铁再与氧和水结合氧化为氢氧化铁Fe(OH)3，最终脱水后生成铁锈Fe2O3。

 

电化学腐蚀机理非常复杂，包括许多不同类型的腐蚀形式。其腐蚀失效机理主要有均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀开裂、流体加速腐蚀、疲劳腐蚀、磨损腐蚀、氢腐蚀、碱腐蚀、微生物腐蚀、熔盐腐蚀等。

 

3.3 磨损失效模式与失效机理

 

磨损失效模式是与磨损有关的失效现象。

 

就动配合构件而言，接触过程中有滚动、滑动、微动等主要磨损行为，各种轴承和齿轮在实际运行过程中往往经历一种或多种磨损行为。磨损失效行为涉及多学科交叉领域，涵盖冶金学、材料学、表面技术、机械学、固体力学、润滑学、表面化学、表面物理、摩擦学等诸多学科。

 

根据构件的磨损行为和运动方式，磨损失效机理可以分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、接触磨损、滚动磨损、滑动磨损、微动磨损、腐蚀磨损、冲击磨损、冲刷磨损、冲蚀磨损、电蚀磨损等。

 

3.4 畸变失效模式与失效机理

 

畸变失效模式是一种与变形过大有关的失效现象。

 

畸变失效形式多样。从材料角度看，涉及弹性变形、弹塑性变形、塑性变形、粘弹性变形、高弹性变形及热变形等。从结构角度看，涉及挠曲变形、弯曲变形、扭曲变形、翘曲变形、屈曲变形（失稳褶曲）等。从变形形态看，畸变表现为尺寸畸变、形状畸变，以及二者组合的复合畸变。

 

因此，畸变失效机理包括弹性变形、弹塑性变形、塑性变形、粘弹性变形、高弹性变形、热变形、挠曲变形、弯曲变形、扭曲变形、翘曲变形、屈曲变形等。其中，挠曲变形、弯曲变形、扭曲变形、翘曲变形及屈曲变形属于结构变形，容易引起构件形状与尺寸的显著改变。

 

4.结论

 

（1）评述了失效的不同定义，并从材料学角度提出了失效的新定义。阐述了与失效有关的外观形态和微观结构的物理含义及其损伤特征，从而深刻理解失效的本质。

（2）重新分类失效模式，采用提出的畸变失效模式取代以往常用的变形失效模式。阐述了畸变失效模式的物理含义及其特点，将畸变与断裂、腐蚀、磨损三种失效模式一起并列，成为工程材料的第四种失效模式，从而涵盖和解释更为复杂的失效现象。

（3）通过引入“五要素”概念，即失效模式、失效形式、失效缺陷、失效机理和失效原因，构建了失效分析新体系，使其成为失效分析的基础。其中，失效形式的嵌入为该体系提供了坚实的理论支撑。

（4）论述了失效模式与失效机理的本质区别及其相互关系。明确了失效模式是失效现象的外在表现形式，而失效机理是导致失效模式出现的内在根源，是失效现象背后在材料内部发生的物理、化学等多方面相互作用的损伤变化过程，因而能够追溯到失效原因的根本。

（5）给出了金属材料失效模式与失效机理相互关系的新表述。不同的失效模式下对应不同的失效机理，而不同的失效机理与失效原因相联系，从而能够追溯到失效的根本原因。

（6）重塑失效分析体系的目的是构建一套系统、完整且高效的综合性分析方法。通过分析“五要素”及其相互关系，不仅能够确保分析结论快速、准确，而且解决方案简单、高效，从而避免同类失效的重复发生，进而提升产品质量及其安全可靠性。