失效分析与安全

钟群鹏

(北京航空航天大学材料科学与工程学院, 北京100083)
　

摘 要: 扼要阐述了失效分析相关名词定义,讨论了失效、失效分析预测预防的特点和属性;介绍了安全的概念和安全问题的重要性,并且指出了我国安全生产现状和面临的严峻形势。在此基础上,论证了失效分析预测预防和安全工作之间相互需求的重要关系。

关键词: 失效分析; 预测预防; 安全; 安全生产
　

1 失效分析

(1) 失效及失效研究的内涵

机电元器件(或零件) 、设备、装置或系统统称为机电产品。机电产品丧失规定功能的现象称为失效,对可修复产品通常也称为故障。产品是否失效,主要是在使用(包括检验) 中考察。在失效研究中,针对具体失效事件的技术活动一般可分为三个层次:失效诊断、失效预测和失效预防。其中失效诊断是失效研究的核心,失效预测和预防则是失效研究的目的。失效诊断是失效发生以后的研究,失效预测和预防则是事前的。

(2) 失效分析、事故分析、废品分析和状态诊断

失效分析是对进入商品流通领域后发生故障的分析;对导致产品无法修复的严重失效的分析也称为事故分析;对进入商品流通领域前发生的质量问题的分析则称为废品分析。失效分析、事故分析和废品分析均是指事后的分析,三种分析所采用的方法基本一致。状态诊断则是针对可能的主要失效模式、原因和机理的在线、适时和动态的诊断。

(3) 失效模式、原因和机理诊断

失效研究的首要任务之一就是失效诊断。失效诊断是失效研究的基础,其准确与否决定了失效研究的成功与否。失效诊断的目的是要诊断出失效的模式、原因和机理,从而为采取预防措施指明方向和提供依据。失效模式是指失效的表现形式,一般可理解为失效的类型。失效模式诊断是失效研究首当其冲的重要问题,具有“定向”的意义。失效模式常可分为一级失效模式、二级失效模式和三级失效模式。一般要求诊断到“二级”甚至“三级”。失效模式诊断得越具体和越准确,对失效原因诊断的准确性和预防措施制定的针对性就越有指导价值。失效模式诊断一般从现场残骸分析(失效件断口、裂纹、痕迹和变形等) 、零件制造工艺、显微组织和力学性能分析、结构和受力分析、工况和使用环境分析及失效模拟等方面入手,其中首断件(肇事件) 的残骸分析是最重要的诊断依据,也是目前使用得最多和最好的一个方面。

失效原因是指酿成失效事故的直接关键因素。失效原因也可分为一级、二级和三级失效原因。一级失效原因一般指酿成该失效事故的首先失效件(肇事件) 失效的直接关键因素处于投入使用过程中的哪个阶段或工序(如设计原因、制造原因、使用原因和环境原因等) ;二级失效原因是指一级失效原因中的直接关键原因。失效原因的诊断是失效研究的核心和关键。失效机理的诊断是指对失效的内在本质、必然性和规律性的研究,是对失效性质认识的理论升华和提高。失效机理是内因和外因共同作用而最终导致失效事件发生的热力学、动力学和机构学,即失效内在的必然性和固有的规律性。

(4) 失效分析、预测和预防

失效分析是分析诊断失效的模式、原因和机理,研究采取补救、预测和预防措施的技术活动和管理活动。失效预测可以分为安全状况预测、剩余寿命预测和累积失效概率(可靠度) 预测等三个层次的内容。失效预防则应包括失效的工程预防、失效(或安全) 法规或标准的制定或修改,以及失效(或安全) 数据库和专家系统的建立和应用。

(5) 失效学

研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论及技术和方法的交叉或综合的分支学科。失效学是一个正在发展中的新兴学科,由失效诊断学、失效预测学和失效预防学三部分组成。失效学的实践基础是对大量的失效事故模式、原因和机理的定性、定量的分析诊断和随后行之有效的预测预防的工程实践经验的积累和总结;失效学的技术和方法基础是现代检测仪器,可靠性技术和工程方法;失效学的理论基础是近代材料学、力学和化学对断裂失效、腐蚀失效、磨损失效及其混合型的失效模式和机理的深入研究。

(6) 失效模式、原因和机理的诊断

与失效有关的失效对象、失效现象和失效环境统称为失效信息。表1 列出了5 大类16 项共52 种失效信息。每一种失效信息都是失效的一个特征,反映影响失效的某个因素或条件;综合几种失效信息可以诊断出失效的模式,进而推断出失效的原因和机理。反之,也可认为某一特定的失效模式、原因和机理总要表现出一些相应的失效信息(特征) 。因此,可以建立通过失效事件本身反映出来的失效信息来诊断失效模式、原因和机理的失效诊断系统,帮助进行失效研究。

2 安全

无危则安,无损则全。“安全”顾名思义,指没有危险,不受威胁,不出事故,没有受伤,完整无损,__平安健康。安全的反义词是灾害。灾害是对人类生命、财产和生存条件造成危害性后果的各种变异现象的总称。

从科学的含义上看,“安全”可以认为是一种状态,是指满足人和物不受损伤、身心健康和完整完满的一种环境、物态和状态;也有人认为,“安全”是一种能力,是指人类对自身利益———包括生命、健康、财产、资源、生存空间、信息、无形资产、商业机会、传统、文化、社会结构、运行机制和秩序等的捍卫、维护和控制的能力。将上述“物态论”和“能力论”相结合,安全是通过“能力”达到的一种“状态”。

安全的内涵和外延可以有狭义的(传统的) 和广义的(非传统的) 安全之分:狭义的安全(又可称为传统的安全) 包括国家安全(即国防安全) 、社会安全和公共安全。国家安全是指在国家、民族和领土层面上的安全,侧重于在国家和民族之间的冲突和对抗中捍卫国家利益问题;社会安全是指社会秩序和运行机制层面的安全,侧重于社会犯罪、破坏和威胁中维护社会利益问题;公共安全是指在生产经营层面上的安全,侧重于对安全生产事故的控制问题。广义的(非传统的) 安全是人类进入21 世纪后,由于社会、经济及科学技术的发展引发的新的安全问题,包括环境安全、技术安全、城市安全和经济安全等。其中环境安全又可分为生态、人口、资源(能源、土地、水资源和矿产) 和气候等相关的安全问题,环境安全的本质是由于经济高速发展引发的人与自然不能和

谐发展的问题;技术安全是指新技术和新产品的出现,包括生物技术、基因技术、新的化工产品及大型工程给人和自然构成的风险和威胁;城市安全是由于城市规模和生产的集约化发展带来的突出的安全问题;而经济安全则是由于世界经济的一体化,使得社会经济的关联性、依赖型和“脆弱”性大大的增加带来的附加的安全问题,例如动力安全(核安全) 、信息安全和金融安全等。

鉴于安全的内涵及其外延不断的深化和扩大,安全的概念成为一个动态的、发展的,带有全局性、关键性和战略性的问题,安全与社会经济发展之间的关系越来越紧密依赖和互为制约,因此与安全有关的安全文化、安全科学、安全技术、安全管理、安全经济和安全伦理等也将应运而生和蓬勃发展,其重要性也日益突出,安全不再是人类被动的追求目标状态,而且将对经济社会和政治发展起反转的促进作用。

建国以来,我国安全生产取得了很大的进步。特别是近几年来,我国在安全生产的治理和整顿方面成绩显著,安全生产状况虽好于前几年,但安全形势仍然十分严峻,发展趋势也不容盲目乐观。

我国安全生产的现状是: ①道路交通运输伤亡人数呈逐年上升趋势; ②重大火灾隐患依然严重存在; ③工矿企业事故发生频率和死亡人数仍然居高不下; ④ 职业危害严重,从1998 年来呈现回升趋势; ⑤中小企业的安全生产成为薄弱环节。

我国安全生产的形势是: ①传统的安全生产管理模式面临挑战; ②经济高速发展与安全生产基础薄弱的矛盾更加尖锐; ③西部大开发中的安全生产问题将日益突出; ④经济高速发展与“安全风险”转嫁; ⑤加入WTO 之后挑战和机遇并存。

我国安全生产现状和形势如此严峻,究其原因是因为我国在总体的安全生产的水平、安全生产监督和管理体制、安全生产的保险机制、安全生产的技术保障体系和安全文化的意识等方面与工业发达国家相比还存在较大的差距的缘故。

3 失效分析与安全的相互关系

失效分析预测预防是安全工作的需求,积极的失效分析预测预防工作对安全工作具有促进作用,对保证安全具有不可替代的作用;安全工作离不开失效分析预测预防,是失效分析预测预防科学存在、发展的基础。两者具有相互依赖共同发展的特点。

可以认为,失效分析预测预防加上监察就是安全工作。

失效分析预测预防和安全之间的相互关系见表2 。

4 结语

(1) 失效分析预测预防是认识客观事物本质和规律的逆向思维过程,是推动高科技发展的积极因素之一,是变失效为成功的必由之路。

(2) 失效分析预测预防具有“原则性”———客观性、公正性和科学性,整个失效分析过程必须坚持八

个原则。

(3) 安全的重要性日益突出,各学科在研究安全问题时存在大量共性问题,公共安全应成为一级学科。

(4) 安全与全面建设小康社会及可持续发展战略之间存在十分密切的关系,应当与人口、资源和环__境一样把安全列为我国的一项基本国策。

(5) 失效分析可以预防事故、保安全和促进机电装备的发展。

(6) 失效分析大有作为。