失效分析发展历史及我国发展现状及对策

一．失效分析发展历史

产品丧失规定的功能称为失效.从人类出现开始，失效就与产品相伴随出现. 由于远古

时代的生产力极为落后，产品也极为简陋，没有科学而言，不可能也没有必要对产品失效的原因进行分析，其对付办法就是更换.

以蒸气动力和大机器生产为代表的工业给人类带来巨大物质文明的同时，也不

可避免地给人类带来了一系列前所未闻的灾难.约在15。年前，人们首先遇到的是越来越

多的蒸汽锅炉爆炸事件，在总结这些失效事故的经验教训中，英国于1862年建立了世界

上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为仲裁事故的法律手段和和提高产品质量的技

术手段.随后在工业化国家中，对失效产品进行分析的机构相继出现.在这一时期，失

效分析也大大推动了相关学科的发展.通过对大量锅炉爆炸和桥梁断裂事故的研究，

Charpy发明了摆锤冲击试验机，用以检验金属材料的韧性;Wohler通过对1852年公工870

年期间火车轴断裂失效的分析研究，揭示出金属的“疲劳”现象，并成功地研制了世界

上第一台疲劳试验机;本世纪二十年代，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;在1940一195。年间发生的北极星导弹爆炸事故、二战期

间的“自由轮”脆性断裂事故，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学科.然而由于科学技术的，这

一阶段人们对产品的失效虽然具有专门的分析机构，但其分析手段仅限于宏观痕迹以及

对材质的宏观检验.如1908年的第一次正式飞行事故调查，其事故结论是螺旋桨桨叶折

断，打断了垂尾的张线，使飞机失去操纵而坠毁，当时的证据只不过是铝合金张线上抹

有桨叶上的漆.因此这一时期的失效分析虽得到了一定的重视与发展，但人们不可能从

宏、微观上揭示产品失效的物理本质与化学本质.这一问题的解决也只是在电子显微学

及其它相关学科得到高速发展后才成为可能.因此从工业到本世纪50年代末电子显

微学取得长足进步前，可看作失效分析发展的第二个阶段.

失效分析作为学科分枝则是近半个世纪的事情，即失效分析发展的第三阶段，也就

是现代失效分析的发展阶段.

本世纪50年代，随着电子行业兴起，首先在电子产品领城里将失效分析的成果应用

于产品的可靠性设计，它以数理统计分析为基础，使得失效分析进人了一个新阶段.同

时，由于科学技术发展突飞猛进，作为失效分析基础学科-一材料科学与力学的迅猛发

展，断口观察仪器的长足进步，特别是分辨率高、放大倍数大、景深长的透射和扫描电

子显微镜的先后问世，为失效分析技术向纵深发展创造了有利条件，铺平了道路，并取

得了辉煌的成果.同时由于大型运载工具尤其是航空装备的广泛应用，各种失效造成的

事故的后果越来越大，影响越来越严重，反过来又大大促使了失效分析的迅猛发展.近

半个世纪所积累的失效分析知识与技术，是千百倍于失效分折前两个阶段的总和.但是

这种知识并未就此终结，它必然随着人类生产实践的发展和科技的进步而发展.

在失效分析发展的第三阶段中，又可细分为两个时期.从60年代到80年代中期为第

一时期.在这一时期，由于扫描电子显微镜的问世，使粗糙断口在高倍下的直接观察

尤其是断口的细节分析成为可能，因而其失效分析基本上是围绕断裂特征与性质分析来

进行的.加之在本世纪60年代之前所进行的失效分析基本上限于材料的力学分析、材料

的组织和性能分析、宏观的痕迹分析和材质的冶金检验.因此这一时期的失效分析仅仅

局限于从材质冶金等方面去寻找引起断裂失效原因上，而对失效件的力学分析则被认为

是结构设计考虑的问题.失效分析的学术活动及其学术组织也都附属于材料学科或理化

检测领域，这也是现今的失效分析专家大都来自冶金与材料科学领域的原因之一

随着科学技术和制造水平的不断进步，尤其是断裂力学、损伤力学、产品可靠性及

损伤容限设计思想的应用和发展，使得产品的可靠性越来越高，一方面产品失效导致的

恶性事故数量相对减少但危害及影响越来越大，另一方面产品失效的原因很少是由某一

特定因素所致，如1986年美国挑战者号航天飞机爆炸致使7名宇航员遇难、90年代初发生

在我国航空装备上的w7一5发动机叶片断裂、WP一7发动机一级涡轮叶片断裂以及运七飞

机燃油泵在起飞阶段的卡滞，均呈现复杂的多因素特征.这就需要从设计、材料、制造

工艺及使用等方面进行系统的综合性的分析，也就需要有从事设计、力学、材料等各方

面的研究人员共同参与，其解决办法是从降低零件所受外力(包括环境等)与提高零件所

具有的抗力两方面人手，以达到提高产品使用可靠性的目的.从80年代中后期开始的这

一时期，失效分析开始形成的学科，而不再是材料科学技术的一个附属部分.这一

时期失效分析领域的主要标志是失效分析的专著大量出现，全国性的失效分析学会相继

成立，如91年中国机械工程学会失效分析专业分会、1994年成立的中国航空学会失效分

析专业分会及中国科协工程联失效分析与预防中心等，空军的内部刊物《飞行事故和失

效分析>>杂志于1990年创刊，一些材料、机械类杂志中也大都设立了失效分析专栏.失

效分析的国际英文杂志<>也于1994年创刊。这一时期

失效分析的主要特点就是集断裂特征分析、力学分析、结构分折、材料抗力分析以及可

靠性分析为一体，已发展成为一门专门的学科.

另一方面，失效分析学科与其它学科的关系也越来越密切，其它学科或工程技术的

发展也日益需要失效分析学科的发展和推动。就拿与失效分析关系极其密切的材料研究

来说，由于航空装备由早期强调以保证性能为主转变为强调满足“三性”要求，即适应

性、可靠性和维修性，新型材料的研制过程首先从过去“成分一组织一性能”的研制模

一式演变为:城分~组织一性能一表现，一四者之间的辩证关系进而又发展为}诚分组织

一合成加工一性能一设计制造一服役一失效一综合表现”七者之间的综合体现，其关系

示于图1，从而将材料在使用过程中的“综合表现”提高到理性的高度，使材料的研究开

发从被动式变为主动式，也使失效分析演变为“事前分析”。

因此，现代科学技术的发展要求失效分析不仅仅是揭示产品失效的模式和原因，找

出失效的机理和规津，采取针对性纠正或预防措施，防止类似事故的发生.失效分析的

重点应更大程度地转向设计、材料研制以及生产过程中出现的问题，并将分析结果及改

进建议反馈于工业生产部门及使用部门，作为提高产品质量的重要一环.统计表明，在

产品的不同发展阶段，由于质量缺陷带来的经济损失是以数量级的变化而增大的.因此

从设计开始，设计师头脑中不仅要装有大量成功的设计模型，更要念念不忘那些用血的

代价换来惨痛的失败或失效的教训，尽全力把产品的潜在缺陷消灭在设计过程中，避免

重大的经济损失.如美国波音公司的设计手册中，专门有一讲是将过去失效分析总结的

经验教训加以总结，指出那些设计是不好的，那些属于设计中容易出现的差错，随时提

醒设计师们避免出现类似的失误而导致产品的失效.我国著名飞机设计师、两院院士顾

诵芬也要求失效分析工作者们，应尽快将我国航空装备失效分析得出的经验教训进行整

理，用以指导飞机的设计，以免出现重复的失误.同时现阶段的失效分析也是全面质量

管理中必不可少的重要环节，是可靠性工程的技术基础，安全的保证，也是维修工程的

理论基础和指导依据.

二．国内失效分析发展现状及对策

失效分析现在已经成为了热门技术。业界也有不少专家在讲授失效分析知识。总的来说，失效分析在一般人的眼中，是很高深莫测的一门学问。

     这以失效分析方面的专家动辄就拿昂贵的仪器，拿高深IC的解剖来说事不无关系。事实上，有的仪器他们可能也没用过，只有美国的大机构才用得起。

     学院派的专家就不用说了，他们由于没有工作经验，所以只能讲解一些理论，他们的主要东西基本上是靠照搬美国的理论来的。所以，大理论一听，真的很高深。而一些研究所的专家，可能用过一些仪器（但是他们用得也不全），也做过一些解剖，但是，很少有企业用到那些仪器。

      即使是一些有工作经验的专家出来传授失效分析知识，也不能免俗，总是以那些高深的分析和解剖为主要讲解内容。（我不清楚他们是有所保留，还是觉得不讲高深一点镇不住人）

      在我看来，一味地强调高深的失效分析，不顾中国企业现状，就像没有教会人走路就先教人跑步一样。

      中国电子行业现在的状况可以说是可靠性非常差。即使一些大公司有可靠性相关部门，很多大公司对可靠性测试花了大投入，但是对失效分析不够重视，失效分析人员沦为修理人员。而可靠性测试的理论基础也是基于发达国家的理论过来的，所以有时并不是那么符合我国，因为我国的技术水平以发达国家不在同一个层面，所以出的问题也不是同层面的问题。中国人有个很大的缺点，就是喜欢形式主义，所以不管是大公司还是小公司，在失效分析和可靠性方面，空有形式，少有实质。

可靠性领域，有两个榜样。美国和日本。美国以严格全面的测试保证可靠性。日本却是更重视失效分析。当然，美国失效分析也是老大，但是日本相对来说更重视实用的失效分析（当然日本也重视可靠性实验）。美国是技术巨无霸，可靠性测试方面日本也没办法达到那样的水平，所以日本实事求是地选择失效分析为重点，不断完善，从而使品质不断提升。

       日本的电子产品曾经是劣质品的代名词，但是后来很多地方，特别是家电，赶上了甚至超越了美国。日本的电子产品成为了价廉物美的代名词。日本没有美国的大手笔投入来搞那么全面的可靠性测试，所以其可靠性成本也比美国低。但是，他们通过失效分析，不断提升了品质，所以物美。

       举一个实际的例子。塑封IC刚开始时，可靠性是很差的。当然，IC美国是老大，日本的IC更差。所以日本的电子产品大多要靠进口美国的IC。一开始，美国对塑封IC的可靠性差，认为是理所当然的。他们称要用高可靠性的IC，就要用陶瓷封装的IC，因为那是通过严格的测试的。但是，日本的失效分析专家做了实实在在的测试、失效分析、DPA（破坏性物理实验，以良品解剖为核心），把失效的问题找出来了，通过不断的改善，使日本的塑封IC可靠性也大大提高。美国后来才反过来学习日本的经验，从而提升了他们的塑封IC可靠性，最后重新超越日本。（有几个地方都是这样，美国一开始很厉害，但是日本采用了更合适的方法超过了美国，美国后来重新检讨改进，重新超越日本。比如美国在目标管理和绩效考核进行得如火如荼的时候，日本推行全面质量管理，结果最后日本胜出，美国领悟过来后，抛掉目标管理和绩效考核，才重新赶超日本的）。

      就是问一个外行也知道，我们基础差，学日本比学美国更合适。也就是说，脚踏实地地做失效分析，更加重视失效分析，对提升我国的电子产业可靠性更合适。而且要注意，我们跟日本比起来，差距巨大，也不能照搬日本的全部模式。可惜中国很多企业走的是美国模式的道路。不过那是好高骛远，不切实际。就像自己只有拖拉机，不去学开拖拉机的技术，反而想学开飞机的技术，结果飞机没开着，拖拉机也没开好。比如说，现在失效分析的专家动辄就拿解剖IC说事（其实有时他们也没解剖过），可是在中国很多企业根本就没条件。

      中国对基础产业的扶持力度远远不够，虽然总是有吹牛的类似出台，但总是雷声大雨点小。他们宁愿花大量的金钱去搞，去拉动鸡的屁的高速发展，也不愿意花稍微多一点的钱来支持基础产业的发展（新闻上都是忽悠你的）。大型企业在类似的“熏陶”下，浮躁十足。大家看了就知道了，那些稍微大一点的电子公司，包括牛皮吹得响哄哄的HE(化名，以下同)，最后几乎都搞房地产去了，或者炒股去了。或者好大喜功，根本不够强的时候就想做大做强，比如LX。大有什么用？想做大，首先要做强再说。中国有几个企业真正的强的？HW（还好，老板讨厌，不过HW同样有恶性竞争、依靠拉关系等的问题）也没资格出来吹牛。不过这些公司基本上都在吹牛自己有多强。可是看看他们生产出来产品，那个技术水平和可靠性，真的没资格吹牛自己有多强，只能说相对的强。中国的元器件企业，与先进国家的比起来更是差得太远了。

我国失效分析起步较晚，但经过近30年几代人的努力，失效分析专业取得十分快速的发展。目前国内主要从事失效分析的专业机构有北京航空航天大学、中国航空工业失效分析中心、上海材料研究所、中科院金属研究所。其中北京航空航天大学长期致力于管道与压力容器的失效分析，中国航空工业失效分析中心航空工业唯一从事失效分析专业机构，主要承担航空工业产品的失效分析和相关研究工作。

总之，近几年，随着质量问题逐渐受到企事业单位的重视，失效分析专业也得到越来越多的关注。失效分析专业迎来了千载难逢的发展机遇。相信在不久的将来，失效分析工作会为国民经济的发展带来巨大的不可或缺的推动作用。