一篇看懂！构件失效的定义以及如何检测？

构件失效的定义

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。

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