姜濤 劉昌奎 張曉艷 陶春虎

產(chǎn)品失效，常常引起巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，特別是在航空、鐵路、化工等領(lǐng)域的損失往往難以接受[1]，因此產(chǎn)品失效一直是科技人員斗爭的對象。失效分析作為一個綜合性的領(lǐng)域，旨在對材料、結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品的失效行為進行研究，進而揭示失效的機制和影響因素，最終提供有效的改進方法和預(yù)防措施[2，3]。

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，我國高鐵、航空、風(fēng)電、石化等領(lǐng)域產(chǎn)品競爭力不斷提高，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也不斷提升，產(chǎn)品失效分析工作得到越來越多的關(guān)注。同時，在表面工程和再制造工程、增材制造等新興技術(shù)領(lǐng)域，失效分析工作的作用獲得了更多認可[4-6]。但是，由于失效分析工作存在很大的特殊性，對開展失效分析工作需要的條件尚缺乏系統(tǒng)認知，特別是很多質(zhì)量管理者把失效分析歸屬于檢測技術(shù)的一種，淡化了分析人員綜合知識的作用，不利于失效分析行業(yè)的健康發(fā)展。筆者在長期失效分析工作實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量案例的總結(jié)分析，對失效分析的特點及其與質(zhì)量管理的關(guān)系進行了簡要論述。

1 失效分析的特點

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《可靠性維修性保障性術(shù)語》GJB 451A—2005中定義：失效（故障）——產(chǎn)品喪失完成規(guī)定功能能力的事件。在實際應(yīng)用中，特別是對硬件產(chǎn)品而言，故障與失效很難區(qū)分，故一般統(tǒng)稱“故障”。從定義中看，失效分析工作的對象應(yīng)該是最終的失效產(chǎn)品，但在實際的工程實踐中失效分析的對象十分廣泛，一般包含或涉及：鑄、鍛、熱、表、焊、加工缺陷分析；轉(zhuǎn)運、使用、維護等偶然損傷分析；構(gòu)件、組件、系統(tǒng)故障分析；墜機、爆炸等事故調(diào)查；產(chǎn)品可靠性、安全性評估等。

1.1 失效分析的目的與核心內(nèi)容

要準(zhǔn)確把握失效分析的核心，首先要搞清楚失效分析要做什么、為什么而做。失效分析是判斷產(chǎn)品的失效模式，查找產(chǎn)品失效機理和原因，提出預(yù)防再失效對策的技術(shù)活動和管理活動。當(dāng)前，這個概念獲得越來越廣泛的認知，無論是技術(shù)人員還是質(zhì)量管理人員越來越清晰的認識到，失效分析不僅僅是單純的技術(shù)分析，其中含有也必然存在管理的信息和功能。失效分析的最終目的是預(yù)防失效的發(fā)生，而要達到此目的，不但需要對材料和結(jié)構(gòu)的損傷形式機制有基本認知，也需要具有對外部環(huán)境和系統(tǒng)影響規(guī)律的認知，才能有針對性地查找失效原因，提出有效的預(yù)防措施。從技術(shù)和管理2方面看，失效分析的核心內(nèi)容包括：

①失效機制研究：研究失效外在表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，失效物理、化學(xué)變化本質(zhì)和微觀過程的技術(shù)活動。

②產(chǎn)品失效分析：針對某一具體產(chǎn)品的某一次失效進行失效性質(zhì)和原因分析，提出預(yù)防方向與措施的技術(shù)活動。

③失效分析管理：對失效分析人員、程序的管理；對產(chǎn)品失效分析、預(yù)防改進處理流程的管理；對失效信息的深度利用與分析管理。

1.2 失效分析技術(shù)的發(fā)展方向

前面已經(jīng)闡述，失效分析就是判斷產(chǎn)品的失效模式，查找產(chǎn)品失效機理和原因，提出預(yù)防措施。失效分析技術(shù)主要包括斷口學(xué)、痕跡學(xué)等，未來主要研究方向包括[7]：

①開展材料宏微觀損傷行為研究，建立微觀組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、溫度等條件對材料損傷的影響關(guān)系。

②開展構(gòu)件應(yīng)力分布、振動特性、摩擦特性等研究，建立構(gòu)件損傷與工況環(huán)境之間的聯(lián)系。

③開展組件與系統(tǒng)功能響應(yīng)、溫度及載荷傳遞、裝配協(xié)調(diào)、振動干擾等研究，建立組件和系統(tǒng)內(nèi)各部件失效相互影響規(guī)律。

④開展失效預(yù)防技術(shù)篩選與有效性評估研究，建立相關(guān)指南。

1.3 失效分析工作的意義

單純從失效分析工作的內(nèi)涵上理解，失效分析工作的意義似乎只體現(xiàn)在產(chǎn)品失效問題的改善方面，但如果從失效分析工作的基本特點、人員要求、流程反饋等全方位的評估，其意義至少體現(xiàn)在以下3個層次：

第一，人員素質(zhì)的培養(yǎng)與提升。包括：為工程技術(shù)人員提供經(jīng)驗借鑒；為基礎(chǔ)研究人員提供研究方向；為專家顧問團隊提供評判參考；為質(zhì)量管理人員提供改進依據(jù)；為行政決策人員提供決策建議。

第二，質(zhì)量管理工作的改善與優(yōu)化。包括：為故障定位提供科學(xué)依據(jù)；為失效預(yù)防提供方向指導(dǎo)；為質(zhì)量控制提供修正建議；為質(zhì)量管理提供決策參考；為可靠性提高提供實踐基礎(chǔ)。

第三，企業(yè)能力與文化的培養(yǎng)。包括：提高企業(yè)科學(xué)處理問題的能力；提高企業(yè)自我改善管理的能力；提高企業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新的能力；提高企業(yè)資源合理利用的能力；提高企業(yè)開拓核心技術(shù)的能力。

1.4 失效分析工作的流程與標(biāo)準(zhǔn)

工程實踐證明，失效分析是一個從技術(shù)到管理再到技術(shù)的迭代過程。一個產(chǎn)品完整的失效分析流程應(yīng)體現(xiàn)以下活動：首先，通過對失效產(chǎn)品開展相關(guān)專業(yè)技術(shù)活動，獲取失效性質(zhì)、原因、控制措施等技術(shù)信息；然后，將這些信息用管理的語言和方法付諸實施；最終從質(zhì)量管理的大數(shù)據(jù)中選擇質(zhì)量控制的薄弱環(huán)節(jié)開展專項技術(shù)研究工作，進而降低更廣泛的質(zhì)量風(fēng)險，其主要流程見圖1。國內(nèi)外對于不同材料和構(gòu)件的失效分析流程也形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如HB 7739—2004《航空金屬制件失效分析程序與要求》、GB/T 16778—2009《纖維增強塑料結(jié)構(gòu)件失效分析一般程序》、GJB 2710—1996《聚合物基復(fù)合材料制件失效分析方法》等。ASTM G161—00（2006）《腐蝕相關(guān)失效分析的標(biāo)準(zhǔn)指南》、SAE AS13004—2007《過程失效模式和效果分析（PFMEA）以及控制計劃》等。

1.5 失效分析工作的特征

失效分析工作是非常獨特的一個專業(yè)性工作，由于其工作涉及內(nèi)容繁雜，有時候甚至不能將其歸結(jié)于一個專業(yè)范圍內(nèi)，而是在合理邏輯指導(dǎo)下的多專業(yè)合作的綜合體。如果不能深刻、全面的理解失效分析工作自身特點，必將導(dǎo)致將失效分析表面化、片面化和簡單化，阻礙失效分析工作的合理開展，更不利于失效分析工作應(yīng)有作用和價值的展現(xiàn)。筆者根據(jù)長期工作的經(jīng)驗，以及對近千個失效分析案例的分析，總結(jié)歸納為以下9條特點：

①對象的唯一性。失效分析對象往往是不可復(fù)制的，要求任何接觸失效對象的人員都接受失效分析專業(yè)人員的指導(dǎo)和監(jiān)督。同時，唯一性有時也表現(xiàn)在故障復(fù)現(xiàn)的困難程度上，當(dāng)需要多個條件耦合作用時，其中一個具有不確定性，則故障幾乎無法復(fù)現(xiàn)。

②學(xué)科的綜合性。失效分析是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，包容了可靠性、材料科學(xué)、機械學(xué)、力學(xué)、腐蝕與摩擦學(xué)以及生物學(xué)等，并且可能超越一般專業(yè)的常規(guī)研究領(lǐng)域，對人員知識和能力要求很高。

③工作的親為性?！耙换ㄒ皇澜纭保總€人觀察事物的角度不同。例如圖2中螺紋的掃描電鏡（SEM）圖片，實踐證明，僅就“哪里是螺紋牙頂、哪里是牙底”這個簡單問題也會存在本質(zhì)的分歧，必然會出現(xiàn)錯的誤判斷。因此，關(guān)鍵失效特征的提取需要個人主觀分析，大部分觀察試驗必須要親歷親為，不像標(biāo)準(zhǔn)檢測具有完全替代性。

④經(jīng)驗的雙重性。以基礎(chǔ)科學(xué)與實踐經(jīng)驗相結(jié)合為基礎(chǔ)，經(jīng)驗不可或缺，但最怕經(jīng)驗主義。

⑤邏輯的嚴謹性。必須掌握常用邏輯推理方法，切忌“一葉障目”， A不一定是A，還可能有B、C……

⑥分析的客觀性。如同經(jīng)驗主義不完全可取一樣，失效分析要以科學(xué)現(xiàn)象、客觀規(guī)律作為準(zhǔn)則，運用各種技術(shù)提取一切客觀證據(jù)，并開展分析，必要時開展邏輯推理。

⑦結(jié)論的指導(dǎo)性。失效分析的最終結(jié)論和改進建議必須得凝練，有針對性，否則失效分析就失去了存在的意義。

⑧業(yè)務(wù)的獨立性。失效業(yè)務(wù)工作的獨立，是保證分析客觀喝邏輯全面的基本條件。人只有在不受行政干預(yù)和沒有利益關(guān)系的前提下，才能客觀、公平地看待問題。

⑨價值的不明確性。失效分析對象可能是一根導(dǎo)線、一顆螺栓，其價值可能包含零件、系統(tǒng)乃至整機，甚至機群價值，還包括為“撒大網(wǎng)式”排故、客戶服務(wù)、賠償、質(zhì)量提升節(jié)省的成本價值等。

例如，發(fā)動機燃調(diào)中一個活門組件故障導(dǎo)致發(fā)動機級間放氣功能失效，發(fā)動機喘振引發(fā)嚴重故障，通過數(shù)天的失效分析，在數(shù)百平方毫米的摩擦面上找到了一個只有數(shù)十微米大的金屬屑，并且進一步證實了這個金屬屑是電動打磨油孔的殘留物（見圖3）。從表面上看原因很直接，技術(shù)上也沒有太多難度，失效分析工作的價值似乎很有限，但實際上在眾多可能導(dǎo)致摩擦副異常磨損的因素中，準(zhǔn)確判斷并定位失效性質(zhì)和直接原因是極為困難的，這個微小的發(fā)現(xiàn)所節(jié)約的排故成本很難用具體的價值衡量。

1.6 失效分析人員的基本素質(zhì)與追求

失效分析工作不僅僅要面對失效的產(chǎn)品，更要面對產(chǎn)品失效涉及的環(huán)境與人員，這里面不能僅僅從科學(xué)的角度分析和處理問題，更需要分析人員能夠合理運用理性/感性2種認知，發(fā)揮智商/情商2種能力。大多數(shù)人認為失效分析工作=“偵探+醫(yī)生+法官”，筆者認為真正的失效分析工作=“偵探+醫(yī)生”，一旦失效分析人員具有評價是非、評判功過的權(quán)利和欲望，很難再完全客觀的看待問題。

一個適合的失效分析人員應(yīng)具備以下素質(zhì)：科學(xué)、嚴謹、客觀的工作態(tài)度和人格；超強的邏輯思維能力；材料科學(xué)基礎(chǔ)；基本的物理、化學(xué)和力學(xué)知識；熟悉常用機械結(jié)構(gòu)和原理；了解常用材料制備工藝；面對面交流溝通的能力；較強的語言和文字表達能力；一定的可靠性專業(yè)知識；樂觀的心態(tài)與抗壓能力等等。

《鹖冠子·卷下，世賢第十六》中在談及扁鵲三兄弟的醫(yī)術(shù)這樣描述：若扁鵲者，鑱血脈，投毒藥，副肌膚，閑而名出聞于諸侯。中兄治病，其在毫毛，故名不出于閭。長兄于病視神，未有形而除之，故名不出于家。由此可見，醫(yī)術(shù)是“長兄最善，中兄次之，扁鵲為最下”。失效分析工作的最高目標(biāo)是預(yù)防失效，自然失效分析人員的最高理想應(yīng)該向扁鵲長兄一樣。但從簡單化驗到綜合診斷、再到開方治病這個過程不能一蹴而就，這種能力需要長時間的積累和學(xué)習(xí)。

2 失效分析與質(zhì)量管理的關(guān)系

2.1 失效分析與檢測（檢驗）

失效分析與檢測、檢驗都是為保證最終產(chǎn)品質(zhì)量的服務(wù)，也是質(zhì)量管理的重要工具。相對來講，檢測、檢驗運用的更多。眾所周知，產(chǎn)品質(zhì)量是一組固有特性滿足要求的程度。真正的質(zhì)量是產(chǎn)品本質(zhì)特性，要靠設(shè)計、制造、管理等全面管理實現(xiàn)，不能靠檢驗提高（見圖4）。

檢測、檢驗：是技術(shù)人員依靠專業(yè)設(shè)備，運用規(guī)范的方法，參照專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，評價質(zhì)量符合性的工作。主要特點是標(biāo)準(zhǔn)的過程，不建議甚至不接受主觀改變的思維和行動。即，檢驗的目的是質(zhì)量評價而不是質(zhì)量改善。存在的劣勢是基本不承擔(dān)推動變革的義務(wù)，動力不足。

失效分析：重在分析，是技術(shù)人員基于客觀真實的檢測、檢查結(jié)果，充分運用基礎(chǔ)科學(xué)知識、工程實踐經(jīng)驗進行失效原因綜合分析與判斷的過程。主要特點：基礎(chǔ)是客觀結(jié)果，核心是邏輯思維判斷，終極目的是產(chǎn)品質(zhì)量的改善，失效問題的預(yù)防。存在的優(yōu)勢：失效分析存在的意義就是推動變革。

由上文可見，失效分析的立足之本是設(shè)計改進的驅(qū)動力。在產(chǎn)品形成過程中，設(shè)計、材料、制造、檢測相輔相成（見圖5）。但由于各部門自身利益的限制，很多企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝與檢測各行其是，而能夠有效串聯(lián)各專業(yè)的失效分析工作顯得更為重要，合理開展失效分析有利于協(xié)調(diào)各部門的認知和合作，共同促進產(chǎn)品質(zhì)量提升。

基于以上特點分析，現(xiàn)有關(guān)于失效分析的觀念應(yīng)該更加明確：第一，失效分析≠檢測、檢驗；第二，失效分析不應(yīng)設(shè)定固定的時間表；第三，失效分析不宜提出過于明確的預(yù)期結(jié)果。

2.2 失效分析與質(zhì)量管理

失效分析服務(wù)于質(zhì)量，但受眾是所有技術(shù)與管理人員，如何能夠讓失效分析成果效益最大化，是質(zhì)量管理中對失效分析定位的重要依據(jù)。前面已述及，失效分析工作需要多種資源的支撐、各種專業(yè)和部門的協(xié)作。同時，分析過程需要與各層次人員討論，分析結(jié)果也需向各級管理部門和負責(zé)人反饋，并參與后期預(yù)防措施的制定。因此，需要建立與其工作特點相適應(yīng)的組織框架，才能達到效益最大化的目標(biāo)。當(dāng)前，企業(yè)中失效分析機構(gòu)的設(shè)立還沒有清晰的定位，大多數(shù)因從業(yè)者多為理化人員而設(shè)置在理化部門，但參照國內(nèi)外發(fā)展較好機構(gòu)設(shè)置來看[2]，圖6是失效分析機構(gòu)在質(zhì)量系統(tǒng)中較為合理的設(shè)置。

質(zhì)量管理部門應(yīng)該給與失效分析理想的工作環(huán)境，因為良好的環(huán)境是保持長期客觀的土壤，失效分析需要的環(huán)境一般包括：

①知情權(quán)：了解前因后果、來龍去脈；失效背景、最終定位、問題處理……

②話語權(quán)：知之為知之，不知為不知。知無不言，言無不盡！說的不一定都對，但想到的問題一定要說，讓說者沒有顧慮。

③技術(shù)能力：參與失效分析技術(shù)研究、學(xué)習(xí)交流。利用失效分析過程中需要的各種技術(shù)資源。

④獨立性：失效分析的基石是客觀、公正；受制于人，難求客觀，更妄談公正。

⑤政策：失效分析的意義和貢獻大多是隱形的，合理的評價、客觀的認可、政策的支持是獨立性之外維護工作客觀性的另一基石。

總之，要想建立一個較為合理的失效分析機構(gòu)，做到義務(wù)明確、權(quán)利清楚、獎勵合理是前提。而一個理想的失效分析結(jié)構(gòu)則應(yīng)具備：有客觀描述現(xiàn)象、分析問題的義務(wù)；有客觀提出問題與建議的義務(wù)；有獨立行使調(diào)查并獲得配合的權(quán)力；排故過程中有資源調(diào)用的優(yōu)先權(quán)；有產(chǎn)品失效排故全過程的知情權(quán)；有產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析與管理建議權(quán)；有開展相關(guān)基礎(chǔ)研究的義務(wù)和權(quán)力；獨立的人員、機構(gòu)和管理機制；有單獨的條件建設(shè)、考核評價以及獎勵機制。

3 國內(nèi)專業(yè)失效分析機構(gòu)

國內(nèi)主要的專業(yè)失效分析機構(gòu)大都依托于研究院所，如中國航發(fā)北京航空材料研究院、航天材料與工藝研究所、工業(yè)和信息化部電子第五研究所等，也有部分工廠或檢測公司內(nèi)部成立了失效分析室。

中國航發(fā)北京航空材料研究院是國內(nèi)成立最早的行業(yè)級失效分析機構(gòu)之一，較早成立了失效分析專業(yè)。早在1985年航空工業(yè)部下達文件，依托北京航空材料研究院成立“材料和斷口失效分析室”，參與飛機事故調(diào)查，負責(zé)殘骸材質(zhì)和斷口方面的化驗、鑒定、分析、驗證工作，向部提供有關(guān)材質(zhì)斷口失效分析方面的技術(shù)結(jié)論。

歷經(jīng)35年的發(fā)展，該機構(gòu)已成長為中國航發(fā)、航空工業(yè)、中國商飛3大航空集團的行業(yè)失效分析中心，中國航空學(xué)會失效分析分會依托單位。職責(zé)也拓展到：制定行業(yè)失效分析技術(shù)相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃；負責(zé)組織并承擔(dān)失效分析技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用研究；承擔(dān)航空裝備的失效分析任務(wù)，參與飛行事故調(diào)查；負責(zé)質(zhì)量事故與失效分析的技術(shù)鑒定以及失效分析成果的評審；承擔(dān)國防其他行業(yè)及民用行業(yè)質(zhì)量事故技術(shù)分析與鑒定工作；組織參加重大質(zhì)量事故調(diào)查；歸口管理集團所屬廠、所產(chǎn)品失效分析的技術(shù)工作、失效分析人員的培訓(xùn)與考核；負責(zé)航空產(chǎn)品質(zhì)量事故及其相關(guān)分析的信息收集與數(shù)據(jù)庫建立；負責(zé)組織失效分析相關(guān)的學(xué)術(shù)交流。該中心長期承擔(dān)鋼、鋁、鈦、高溫合金等金屬材料以及復(fù)合材料、橡膠等非技術(shù)材料的宏微觀損傷機制研究，以及葉片、盤、齒輪、軸承、緊固件等機械產(chǎn)品的服役損傷行為與失效預(yù)防技術(shù)研究工作。形成了一大批研究成果，發(fā)表論文兩百余篇，出版專業(yè)書籍二十余部，并于2006年創(chuàng)辦了國內(nèi)首個全球第3個公開出版的失效分析專業(yè)期刊《失效分析與預(yù)防》。

中心每年承接航空、航天、兵器、核電、高鐵、汽車等行業(yè)工程失效分析任務(wù)近500項，負責(zé)了航空裝備、載人航天、國慶閱兵裝備保障等大量重點任務(wù)中的失效分析工作，培養(yǎng)出了一批具備豐富工程失效分析經(jīng)驗的專家隊伍。每年開展國內(nèi)失效分析人員技術(shù)培訓(xùn)與資格認定、失效專項技術(shù)培訓(xùn)等，培訓(xùn)人數(shù)已超過3 000人次；同時，組織開展包括全國航空航天裝備失效分析會議在內(nèi)的各種學(xué)術(shù)會議，促進了我國失效分析專業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)語

失效分析工作作為可靠性系統(tǒng)工程的重要組成部分，在對產(chǎn)品質(zhì)量可靠性要求日益提高的今天，其重要性越來越得以凸顯，特別是在產(chǎn)品或裝備全壽命周期中發(fā)揮重要作用。不僅僅是解決存在的失效問題，更是需實現(xiàn)產(chǎn)品或裝備的失效預(yù)防與預(yù)測。只有正確認識失效分析工作自身的特點，認清其在質(zhì)量管理中的位置，處理好與其他專業(yè)和部門的關(guān)系，充分保障失效分析人員的權(quán)益，才能更加充分地發(fā)揮失效分析工作應(yīng)有的效能，促進產(chǎn)品質(zhì)量乃至企業(yè)核心競爭力的提升。通過失效分析從業(yè)者和質(zhì)量管理者的共同努力，失效分析專業(yè)必然得到更多發(fā)展，失效分析工作也會變得越來越重要，進而推動產(chǎn)品可靠性整體水平的提升。

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