失效分析的特点及其与质量管理的关系

姜涛 刘昌奎 张晓艳 陶春虎

产品失效，常常引起巨大的人员伤亡和财产损失，特别是在航空、铁路、化工等领域的损失往往难以接受[1]，因此产品失效一直是科技人员斗争的对象。失效分析作为一个综合性的领域，旨在对材料、结构以及产品的失效行为进行研究，进而揭示失效的机制和影响因素，最终提供有效的改进方法和预防措施[2，3]。

随着制造技术的不断发展，我国高铁、航空、风电、石化等领域产品竞争力不断提高，对产品质量的要求也不断提升，产品失效分析工作得到越来越多的关注。同时，在表面工程和再制造工程、增材制造等新兴技术领域，失效分析工作的作用获得了更多认可[4-6]。但是，由于失效分析工作存在很大的特殊性，对开展失效分析工作需要的条件尚缺乏系统认知，特别是很多质量管理者把失效分析归属于检测技术的一种，淡化了分析人员综合知识的作用，不利于失效分析行业的健康发展。笔者在长期失效分析工作实践经验的基础上，结合大量案例的总结分析，对失效分析的特点及其与质量管理的关系进行了简要论述。

1 失效分析的特点

国家军用标准《可靠性维修性保障性术语》GJB 451A—2005中定义：失效（故障）——产品丧失完成规定功能能力的事件。在实际应用中，特别是对硬件产品而言，故障与失效很难区分，故一般统称“故障”。从定义中看，失效分析工作的对象应该是最终的失效产品，但在实际的工程实践中失效分析的对象十分广泛，一般包含或涉及：铸、锻、热、表、焊、加工缺陷分析；转运、使用、维护等偶然损伤分析；构件、组件、系统故障分析；坠机、爆炸等事故调查；产品可靠性、安全性评估等。

1.1 失效分析的目的与核心内容

要准确把握失效分析的核心，首先要搞清楚失效分析要做什么、为什么而做。失效分析是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效对策的技术活动和管理活动。当前，这个概念获得越来越广泛的认知，无论是技术人员还是质量管理人员越来越清晰的认识到，失效分析不仅仅是单纯的技术分析，其中含有也必然存在管理的信息和功能。失效分析的最终目的是预防失效的发生，而要达到此目的，不但需要对材料和结构的损伤形式机制有基本认知，也需要具有对外部环境和系统影响规律的认知，才能有针对性地查找失效原因，提出有效的预防措施。从技术和管理2方面看，失效分析的核心内容包括：

①失效机制研究：研究失效外在表现形式和过程规律，失效物理、化学变化本质和微观过程的技术活动。

②产品失效分析：针对某一具体产品的某一次失效进行失效性质和原因分析，提出预防方向与措施的技术活动。

③失效分析管理：对失效分析人员、程序的管理；对产品失效分析、预防改进处理流程的管理；对失效信息的深度利用与分析管理。

1.2 失效分析技术的发展方向

前面已经阐述，失效分析就是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防措施。失效分析技术主要包括断口学、痕迹学等，未来主要研究方向包括[7]：

①开展材料宏微观损伤行为研究，建立微观组织结构、应力、温度等条件对材料损伤的影响关系。

②开展构件应力分布、振动特性、摩擦特性等研究，建立构件损伤与工况环境之间的联系。

③开展组件与系统功能响应、温度及载荷传递、装配协调、振动干扰等研究，建立组件和系统内各部件失效相互影响规律。

④开展失效预防技术筛选与有效性评估研究，建立相关指南。

1.3 失效分析工作的意义

单纯从失效分析工作的内涵上理解，失效分析工作的意义似乎只体现在产品失效问题的改善方面，但如果从失效分析工作的基本特点、人员要求、流程反馈等全方位的评估，其意义至少体现在以下3个层次：

第一，人员素质的培养与提升。包括：为工程技术人员提供经验借鉴；为基础研究人员提供研究方向；为专家顾问团队提供评判参考；为质量管理人员提供改进依据；为行政决策人员提供决策建议。

第二，质量管理工作的改善与优化。包括：为故障定位提供科学依据；为失效预防提供方向指导；为质量控制提供修正建议；为质量管理提供决策参考；为可靠性提高提供实践基础。

第三，企业能力与文化的培养。包括：提高企业科学处理问题的能力；提高企业自我改善管理的能力；提高企业产品优化创新的能力；提高企业资源合理利用的能力；提高企业开拓核心技术的能力。

1.4 失效分析工作的流程与标准

工程实践证明，失效分析是一个从技术到管理再到技术的迭代过程。一个产品完整的失效分析流程应体现以下活动：首先，通过对失效产品开展相关专业技术活动，获取失效性质、原因、控制措施等技术信息；然后，将这些信息用管理的语言和方法付诸实施；最终从质量管理的大数据中选择质量控制的薄弱环节开展专项技术研究工作，进而降低更广泛的质量风险，其主要流程见图1。国内外对于不同材料和构件的失效分析流程也形成了相关标准，如HB 7739—2004《航空金属制件失效分析程序与要求》、GB/T 16778—2009《纤维增强塑料结构件失效分析一般程序》、GJB 2710—1996《聚合物基复合材料制件失效分析方法》等。ASTM G161—00（2006）《腐蚀相关失效分析的标准指南》、SAE AS13004—2007《过程失效模式和效果分析（PFMEA）以及控制计划》等。

1.5 失效分析工作的特征

失效分析工作是非常独特的一个专业性工作，由于其工作涉及内容繁杂，有时候甚至不能将其归结于一个专业范围内，而是在合理逻辑指导下的多专业合作的综合体。如果不能深刻、全面的理解失效分析工作自身特点，必将导致将失效分析表面化、片面化和简单化，阻礙失效分析工作的合理开展，更不利于失效分析工作应有作用和价值的展现。笔者根据长期工作的经验，以及对近千个失效分析案例的分析，总结归纳为以下9条特点：

①对象的唯一性。失效分析对象往往是不可复制的，要求任何接触失效对象的人员都接受失效分析专业人员的指导和监督。同时，唯一性有时也表现在故障复现的困难程度上，当需要多个条件耦合作用时，其中一个具有不确定性，则故障几乎无法复现。

②学科的综合性。失效分析是多学科交叉的产物，包容了可靠性、材料科学、机械学、力学、腐蚀与摩擦学以及生物学等，并且可能超越一般专业的常规研究领域，对人员知识和能力要求很高。

③工作的亲为性。“一花一世界”，每个人观察事物的角度不同。例如图2中螺纹的扫描电镜（SEM）图片，实践证明，仅就“哪里是螺纹牙顶、哪里是牙底”这个简单问题也会存在本质的分歧，必然会出现错的误判断。因此，关键失效特征的提取需要个人主观分析，大部分观察试验必须要亲历亲为，不像标准检测具有完全替代性。

④经验的双重性。以基础科学与實践经验相结合为基础，经验不可或缺，但最怕经验主义。

⑤逻辑的严谨性。必须掌握常用逻辑推理方法，切忌“一叶障目”， A不一定是A，还可能有B、C……

⑥分析的客观性。如同经验主义不完全可取一样，失效分析要以科学现象、客观规律作为准则，运用各种技术提取一切客观证据，并开展分析，必要时开展逻辑推理。

⑦结论的指导性。失效分析的最终结论和改进建议必须得凝练，有针对性，否则失效分析就失去了存在的意义。

⑧业务的独立性。失效业务工作的独立，是保证分析客观喝逻辑全面的基本条件。人只有在不受行政干预和没有利益关系的前提下，才能客观、公平地看待问题。

⑨价值的不明确性。失效分析对象可能是一根导线、一颗螺栓，其价值可能包含零件、系统乃至整机，甚至机群价值，还包括为“撒大网式”排故、客户服务、赔偿、质量提升节省的成本价值等。

例如，发动机燃调中一个活门组件故障导致发动机级间放气功能失效，发动机喘振引发严重故障，通过数天的失效分析，在数百平方毫米的摩擦面上找到了一个只有数十微米大的金属屑，并且进一步证实了这个金属屑是电动打磨油孔的残留物（见图3）。从表面上看原因很直接，技术上也没有太多难度，失效分析工作的价值似乎很有限，但实际上在众多可能导致摩擦副异常磨损的因素中，准确判断并定位失效性质和直接原因是极为困难的，这个微小的发现所节约的排故成本很难用具体的价值衡量。

1.6 失效分析人员的基本素质与追求

失效分析工作不仅仅要面对失效的产品，更要面对产品失效涉及的环境与人员，这里面不能仅仅从科学的角度分析和处理问题，更需要分析人员能够合理运用理性/感性2种认知，发挥智商/情商2种能力。大多数人认为失效分析工作=“侦探+医生+法官”，笔者认为真正的失效分析工作=“侦探+医生”，一旦失效分析人员具有评价是非、评判功过的权利和欲望，很难再完全客观的看待问题。

一个适合的失效分析人员应具备以下素质：科学、严谨、客观的工作态度和人格；超强的逻辑思维能力；材料科学基础；基本的物理、化学和力学知识；熟悉常用机械结构和原理；了解常用材料制备工艺；面对面交流沟通的能力；较强的语言和文字表达能力；一定的可靠性专业知识；乐观的心态与抗压能力等等。

《鹖冠子·卷下，世贤第十六》中在谈及扁鹊三兄弟的医术这样描述：若扁鹊者，鑱血脉，投毒药，副肌肤，闲而名出闻于诸侯。中兄治病，其在毫毛，故名不出于闾。长兄于病视神，未有形而除之，故名不出于家。由此可见，医术是“长兄最善，中兄次之，扁鹊为最下”。失效分析工作的最高目标是预防失效，自然失效分析人员的最高理想应该向扁鹊长兄一样。但从简单化验到综合诊断、再到开方治病这个过程不能一蹴而就，这种能力需要长时间的积累和学习。

2 失效分析与质量管理的关系

2.1 失效分析与检测（检验）

失效分析与检测、检验都是为保证最终产品质量的服务，也是质量管理的重要工具。相对来讲，检测、检验运用的更多。众所周知，产品质量是一组固有特性满足要求的程度。真正的质量是产品本质特性，要靠设计、制造、管理等全面管理实现，不能靠检验提高（见图4）。

检测、检验：是技术人员依靠专业设备，运用规范的方法，参照专业标准，评价质量符合性的工作。主要特点是标准的过程，不建议甚至不接受主观改变的思维和行动。即，检验的目的是质量评价而不是质量改善。存在的劣势是基本不承担推动变革的义务，动力不足。

失效分析：重在分析，是技术人员基于客观真实的检测、检查结果，充分运用基础科学知识、工程实践经验进行失效原因综合分析与判断的过程。主要特点：基础是客观结果，核心是逻辑思维判断，终极目的是产品质量的改善，失效问题的预防。存在的优势：失效分析存在的意义就是推动变革。

由上文可见，失效分析的立足之本是设计改进的驱动力。在产品形成过程中，设计、材料、制造、检测相辅相成（见图5）。但由于各部门自身利益的限制，很多企业产品的设计、工艺与检测各行其是，而能够有效串联各专业的失效分析工作显得更为重要，合理开展失效分析有利于协调各部门的认知和合作，共同促进产品质量提升。

基于以上特点分析，现有关于失效分析的观念应该更加明确：第一，失效分析≠检测、检验；第二，失效分析不应设定固定的时间表；第三，失效分析不宜提出过于明确的预期结果。

2.2 失效分析与质量管理

失效分析服务于质量，但受众是所有技术与管理人员，如何能够让失效分析成果效益最大化，是质量管理中对失效分析定位的重要依据。前面已述及，失效分析工作需要多种资源的支撑、各种专业和部门的协作。同时，分析过程需要与各层次人员讨论，分析结果也需向各级管理部门和负责人反馈，并参与后期预防措施的制定。因此，需要建立与其工作特点相适应的组织框架，才能达到效益最大化的目标。当前，企业中失效分析机构的设立还没有清晰的定位，大多数因从业者多为理化人员而设置在理化部门，但参照国内外发展较好机构设置来看[2]，图6是失效分析机构在质量系统中较为合理的设置。

质量管理部门应该给与失效分析理想的工作环境，因为良好的环境是保持长期客观的土壤，失效分析需要的环境一般包括：

①知情权：了解前因后果、来龙去脉；失效背景、最终定位、问题处理……

②话语权：知之为知之，不知为不知。知无不言，言无不尽！说的不一定都对，但想到的问题一定要说，让说者没有顾虑。

③技术能力：参与失效分析技术研究、学习交流。利用失效分析过程中需要的各种技术资源。

④独立性：失效分析的基石是客观、公正；受制于人，难求客观，更妄谈公正。

⑤政策：失效分析的意义和贡献大多是隐形的，合理的评价、客观的认可、政策的支持是独立性之外维护工作客观性的另一基石。

总之，要想建立一个较为合理的失效分析机构，做到义务明确、权利清楚、奖励合理是前提。而一个理想的失效分析结构则应具备：有客观描述现象、分析问题的义务；有客观提出问题与建议的义务；有独立行使调查并获得配合的权力；排故过程中有资源调用的优先权；有产品失效排故全过程的知情权；有产品质量数据分析与管理建议权；有开展相关基础研究的义务和权力；独立的人员、机构和管理机制；有单独的条件建设、考核评价以及奖励机制。

3 国内专业失效分析机构

国内主要的专业失效分析机构大都依托于研究院所，如中国航发北京航空材料研究院、航天材料与工艺研究所、工业和信息化部电子第五研究所等，也有部分工厂或检测公司内部成立了失效分析室。

中国航发北京航空材料研究院是国内成立最早的行业级失效分析机构之一，较早成立了失效分析专业。早在1985年航空工业部下达文件，依托北京航空材料研究院成立“材料和断口失效分析室”，参与飞机事故调查，负责残骸材质和断口方面的化验、鉴定、分析、验证工作，向部提供有关材质断口失效分析方面的技术结论。

历经35年的发展，该机构已成长为中国航发、航空工业、中国商飞3大航空集团的行业失效分析中心，中国航空学会失效分析分会依托单位。职责也拓展到：制定行业失效分析技术相关的发展规划；负责组织并承担失效分析技术基础与工程应用研究；承担航空装备的失效分析任务，参与飞行事故调查；负责质量事故与失效分析的技术鉴定以及失效分析成果的评审；承担国防其他行业及民用行业质量事故技术分析与鉴定工作；组织参加重大质量事故调查；归口管理集团所属厂、所产品失效分析的技术工作、失效分析人员的培训与考核；负责航空产品质量事故及其相关分析的信息收集与数据库建立；负责组织失效分析相关的学术交流。该中心长期承担钢、铝、钛、高温合金等金属材料以及复合材料、橡胶等非技术材料的宏微观损伤机制研究，以及叶片、盘、齿轮、轴承、紧固件等机械产品的服役损伤行为与失效预防技术研究工作。形成了一大批研究成果，发表论文两百余篇，出版专业书籍二十余部，并于2006年创办了国内首个全球第3个公开出版的失效分析专业期刊《失效分析与预防》。

中心每年承接航空、航天、兵器、核电、高铁、汽车等行业工程失效分析任务近500项，负责了航空装备、载人航天、国庆阅兵装备保障等大量重点任务中的失效分析工作，培养出了一批具备丰富工程失效分析经验的专家队伍。每年开展国内失效分析人员技术培训与资格认定、失效专项技术培训等，培训人数已超过3 000人次；同时，组织开展包括全国航空航天装备失效分析会议在内的各种学术会议，促进了我国失效分析专业技术的发展。

4 结语

失效分析工作作为可靠性系统工程的重要组成部分，在对产品质量可靠性要求日益提高的今天，其重要性越来越得以凸显，特别是在产品或装备全寿命周期中发挥重要作用。不仅仅是解决存在的失效问题，更是需实现產品或装备的失效预防与预测。只有正确认识失效分析工作自身的特点，认清其在质量管理中的位置，处理好与其他专业和部门的关系，充分保障失效分析人员的权益，才能更加充分地发挥失效分析工作应有的效能，促进产品质量乃至企业核心竞争力的提升。通过失效分析从业者和质量管理者的共同努力，失效分析专业必然得到更多发展，失效分析工作也会变得越来越重要，进而推动产品可靠性整体水平的提升。

参考文献

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[3] 张峥，陈再良，李鹤林.我国失效分析的现状与差距[J].金属热处理，2007，32（增刊）：49—52.

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