1.3.3 关于“材料失效分析”问题
我们应该关注到一个普遍或流行的提法或理念，叫作“材料失效分析”。对于一个金属零部件的失效，特别是断裂失效，它涉及的各个层面的技术人员普遍有一个共识，就是考虑是否与材料内在某种要素相关，并交由金相检验工程师分析鉴定，这也是失效分析工程师大多是金相检验技术人员出身的缘故。对材料质量进行检验评价，确认与零部件失效是否相关，属于材料失效分析不可或缺的一个步骤。
但是，“材料失效分析”作为一个概念是缺乏合理性的，它误导了许多失效分析的从业者。“产品失效”概念是针对“产品功能”提出的，涵盖了整个工程技术链，涉及汽车的产品开发、制造直到使用的技术环节中，材料技术属性仅为众多要素之一。但在这种不尽合理的理念下，许多失效分析工程师在工作中过度执着于“材料要素”的分析中，忽略了必要的失效模式和客观技术质证的分析，其结果则是导致了大量及严重的技术偏离问题，而且可以说是经常性地出现众多不伦不类、难于接受的分析结果。
在众多汽车零部件失效分析中一个比较典型的问题，是关于金属材料中非金属夹杂物与结构件疲劳断裂的关系问题。首先，下面通过两份失效分析技术报告举例说明对非金属夹杂物和结构件疲劳开裂的描述。一份是关于某钢板弹簧疲劳开裂分析报告，其中有这样的描述：“……由能谱分析可知裂纹源处存在硅酸盐和氧化铝复合夹杂物（图1-24），其中氧化铝类夹杂物具有硬度高和熔点高的特点，是脆性夹杂物。表面夹杂物易导致应力集中，促进微裂纹萌生。并且在路试过程中，基体金属发生塑性变形时，氧化铝类夹杂物不能随之一起变形，所以在夹杂物和基体间形成微裂纹，在循环交变载荷的作用下，微裂纹进一步扩展直到板簧断裂……”。另一份是关于某扭杆弹簧疲劳断裂分析报告，其中非金属夹杂物和结构件疲劳开裂的描述（图1-25）。两份报告均就结构件疲劳开裂与夹杂物之间的关系及机理进行了论述。而且目前在汽车结构件疲劳失效分析中，这种技术分析的方式大量存在。
图1-24 疲劳裂纹源、非金属夹杂物及能谱分析数据
a）疲劳裂纹源及非金属夹杂物 b）能谱分析数据
非金属夹杂物问题是以GB/T 699—2015和GB/T 3077—2019为代表的机械用结构钢标准中提出的，并在其中的优质钢规范中进行了具体的限定，但其仅限于结构钢中应用。关于非金属夹杂物与结构钢疲劳性能的关系，有大量的实验数据证明夹杂物会降低疲劳强度，特别是对于轴承钢接触疲劳性能的影响，但这些数据均是统计性的。另外，也建立了相应的各种夹杂物诱发疲劳微裂纹的机理模型和说法。这些都成为许多分析报告和技术论文，推导非金属夹杂物诱发结构件疲劳开裂的“理论和技术依据”。为此有必要研讨这方面的相关问题。
图1-25 某技术报告中关于夹杂物与疲劳裂纹源的关系论述
1）失效分析最基本的技术属性是失效模式分析，需要遵循“技术质证不可或缺”原则。结构件断裂失效的客观质证是指与断裂直接相关的要素证据，可以说是失效模式的某种具体表达。结构件断裂失效模式的质证是宽泛和多种多样的，包括机械结构损伤、断裂过程痕迹、内在质量等各方面。该原则强调相关技术质证应该具有真实性、合规性、关联性。即指汽车结构件断裂失效分析或技术报告中，关于与断裂直接相关的致裂要素必须客观真实、确切、逻辑合理，技术质证的这些性质具有不可或缺性。而且，在汽车零部件的疲劳失效分析中这个原则尤为重要，图1-22即为疲劳失效模式及技术质证的例证。
关于确认非金属夹杂物诱发疲劳源的客观技术质证，合理及有效的技术质证和模式推理详见图1-26。这种质证的客观存在包括夹杂物及其成分，同时要求疲劳源与夹杂物的绝对指向关系。那些没有客观技术质证证据的事物，在逻辑上是不成立的。而且，无论钢中的非金属夹杂物是否合格，想确认由夹杂物诱发疲劳的结果必须有上述的技术质证。
图1-26 齿轮钢旋转弯曲疲劳夹杂物诱发疲劳微裂纹及能谱分析
a）疲劳断口 b）非金属夹杂物 c）能谱分析
在图1-27中的视场中，夹杂物明显带有众多颗粒物堆积和附着的形态，而且其能谱数据并不支持夹杂物的定性性质，很明显属于外来污染性质。这种（包括相类似问题）技术认知偏离问题非常常见。需要关注的是在电子微观断口和金相组织观察时，对于“假相”的识别和认知鉴别能力至关重要。这类问题多是受到了一些以讹传讹的相关信息误导，采用了以主观意志为主的认知思维方式来认知客观的事物，也可以说是“材料失效分析”理念的一种表现形式。这种表现形式源于一种错误的技术或管理观念，即相关的单位或人员自认为接到的失效分析委托一定会有分析结果。然而，因为客观上的事实依据和技术经验积累不足，结果导致产生了以非金属夹杂物，或某些“材料缺陷”为代表的技术要素成为“万能选项”，用失效机理替代了失效条件。
2）关于非金属夹杂物的级别评定技术问题，经常有在微观断口上进行各种夹杂物的观察和评价，这不符合工程技术的规则。结构钢中非金属夹杂物的评价必须依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》进行，属于金相检验法，以电子断口评价夹杂物没有依据，在工程技术中不予采信。
图1-27 微观断口上的各种非金属夹杂物
而从另一个角度看待问题，优质结构钢中仅是适当限定，并没有拒绝夹杂物的存在，如图1-28中的断口上夹杂物则属于正常存在，没必要过分关注和渲染。而图1-26中的所谓严重夹杂物分布形态，需要在GB/T 10561—2005的规定方法下予以验证并确认，否则也不能采信。另外也需强调，依据材料技术标准和规则，非金属夹杂物的概念仅适用于优质结构钢领域，其他钢铁材料领域中没有此概念，不能使用。
图1-28 某连杆疲劳断裂分析的鱼骨图
3）关于非金属夹杂物降低疲劳强度和诱发疲劳开裂的认知误区，主要还是来自于对于非金属夹杂物诱发疲劳开裂的条件和机理、模型的认知和理解出现了偏差。
其一，需要明确夹杂物诱发疲劳源的现象均发生在高强度钢中，通常指弹簧钢级以上的材料及组织状态，比如硬度通常处在HV400以上的材料状态。其背后表达的是这种开裂模式的条件是高的应力应变。如果疲劳强度降低导致材料在低应力应变条件下发生开裂，则疲劳源的开裂机理和开裂模型会发生变化，进而从表面疲劳开裂。
其二，夹杂物诱发疲劳源的现象及机理的讨论，大多表现在材料疲劳试验中。这种疲劳试验方法多为旋转弯曲疲劳实验，样品尺寸很小，试验的应力幅条件为R=-1。对应的应力条件需要在700～800MPa以上。这种工况条件的核心问题是有足够的弹性应变。而高强度板簧台架试验中（R=0.1），应力条件需要大于1000MPa，小于对应的弹性应变条件或幅值，疲劳裂纹的发生模式将发生变化。金属材料疲劳性能及开裂机理的研究是有条件和局限性的，汽车零部件的开发和使用工况是可靠性技术问题，两者之间有显著的差异性，任何的借鉴和引用都要切合实际。也就是说不要把材料疲劳强度和构件疲劳条件两个领域的概念混为一谈。
其三，非金属夹杂物诱发疲劳源的机理应该关注于细观力学，关注金属相和非金属夹杂物的弹性模量，高应变条件下两者的形变不协调导致疲劳裂纹的萌生。