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    基于失效物理的可靠性理论基础

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    • 失效物理是一门以产品的失效为对象、系统地研究和诠释各类产品的失效机理、量化地描述与之相关联的物理化学过程和规律的科学。产品的失效同时具有在整体上的“确定性” 和个体之间的“分散性”两种特性,失效物理的研究旨在明确和建立这两种产品失效特性与产品的设计、材料、制造工艺和过程之间所存在的必然联系,它因此构成了在此之上所建立的可靠性工程方法的理论基础。

      “确定性”和“分散性”是产品失效的两个并存的固有属性。产品失效在整体上的“确定性”反映了一个产品在宏观尺度和设计上的一致性,这意味着在通过失效物理的方法来研究产品的失效时,可以用确定的物理化学过程来描述产品作为一个整体的失效行为以及与之相关联的产品物理特性之间的关系。而在另一方面,一个产品的不同个体在其物理特征上又必定不是完全一致的,例如产品内部所包含的缺陷个数、种类、分布等等,它们在一定的微观层面上存在着物理特性的差异。因此,产品在个体上的“分散性”、即“不确定性”反映了产品个体间的这种差异性。与产品的设计不同,这种差异性主要是来源于产品的来料、制造加工和工艺过程,是造成一个产品不同个体失效不确定性的根本原因。但是,这种不同个体间失效的“不确定性”并不意味着一种完全的“无序”,它们仍然在统计的意义上具有确定性,而且,这种统计上的确定性同样具有明确的物理基础,这构成了失效物理研究的另外一部分重要的研究内容。

      产品作为一个整体其失效的确定性和作为不同个体间失效的不确定性构成了失效物理研究中的两个重要组成部分。前者构成了失效物理方法中针对失效机理和模型的研究,而后者则构成了针对产品失效分散性和统计分布的研究。因此,在利用失效物理的理论进行失效建模时,用以描述产品失效确定性的失效物理模型和用以描述产品失效分散性的失效分布模型就构成了产品失效模型的两个组成部分。

      目前,基于失效物理的可靠性工程方法已经成为提高产品可靠性的主要手段。与传统的基于统计的可靠性工程方法相比,基于物理的方法更加专注于针对失效在微观层面上的研究,从这样的研究结果出发可以为产品的设计提供更为具体的改进建议,从根本上解决产品的可靠性问题。因此,从这个意义上讲,失效物理的方法更加注重对于失效的确定性及其物理基础的研究。但是,人们对于产品失效机理的认识仍然处在一个不断发展和完善的过程,在很多的工程情况下仍然不足以有效地解决实际的工程问题,需要其它的工程手段和方法来加以补充,甚至是在很多场合仍然无法取代被公认已经是过时了的一些工程手段和方法,因此,失效物理作为一个可靠性工程方法的理论基础仍有待于更进一步的发展和完善。

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