1.2.3 逻辑思维在失效分析中的应用

逻辑学是关于思维规律的学说，是思维内容与思维形式的统一。合理的逻辑思维和推理，在失效模式的归纳认知以及具体失效分析案例中都是不可或缺的。

1.演绎逻辑之必要条件推理

演绎逻辑之“必要条件”强调A是条件或要素，B是结果，具体关系表达为“无A必无B，但有A未必有B，则A是B的必要条件。”而“必要条件”推理应用于失效分析技术中，是指建立于失效模式形态或技术质证条件下的逻辑推理判断，也是具体失效分析中最基本的认知和思维方法。

具体案例如图1-3所示，可见图中的桥壳疲劳开裂均起源于材料基体中的铸造疏松缺陷，该缺陷与疲劳开裂客观上符合“无A必无B”的必要条件关系。但此种演绎推理有两个重要技术属性需要强调：

其一，具有“现时现地”或“就事论事”技术属性，仅应用在具体案例分析之中。

其二，失效模式分析中，因果关系明确的“技术质证”是不可或缺性的原则。

另外，强调失效分析追寻的必要条件（技术质证）性质上有两类，分别是显性条件和隐性条件。所谓显性必要条件（技术质证）是指在构件具体的失效模式中，显而易见且明确的技术质证，如图1-3所示。但实际上失效的条件大多是隐性的，需要对相关信息、机械系统技术状态、使用条件等多方面要素进行综合的分析或推论。如图1-4中齿轮轮齿偏向一侧的疲劳断齿模式，其失效的条件或原因在于轴齿机械系统内的结构稳定性问题。而且，这种观察分析失效条件的理念来自于大量和长期的工程实践的归纳总结，这也是我们需要建立汽车零部件失效模式体系的缘由。

2.归纳逻辑及应用

归纳推理是从认识研究个别事物到总结、概括一般性规律的推断过程。按其实质可以作如下定义：所谓归纳逻辑是指人们以一系列经验判断或知识储备为依据，寻找出其遵循的基本或共同规律，并假设同类事物中的其他事物也遵循这些规律，从而将这些规律作为预测同类事物中其他事物的基本原理的一种认知方法。在进行归纳和概括的时候，解释者不单纯运用了归纳推理，同时也运用了演绎法。在人们的解释思维中，归纳和演绎是互相联系、互相补充、不可分割的。

基于大量的汽车零部件疲劳失效分析实践，合理应用归纳方法，在两个认知和思维层面建立疲劳失效分析的技术和知识体系：其一是建立系统性的汽车零部件失效模式体系，认知其规律性，这是汽车零部件失效分析的核心技术。其二是建立汽车零部件疲劳失效分析的各种基本技术理念、准则和思维方式，即一个合理及符合实际的认知逻辑思维体系。

关于汽车齿轮钢疲劳性能试验，通常采用的方法有两种，即旋转弯曲法和标准齿轮单向弯曲法。下面以这两种试验方法之失效模式问题的归纳分析为例，并结合日常的渗碳钢零件失效分析的观察和感知，涉及相关的疲劳失效模式、疲劳开裂机理、认知思维方式及技术理念等诸方面内容，来解读两者之间的失效模式的差异。所采用的样本组及实验结果，在材料和样品加工、渗碳淬火工艺和质量、试验方法及断口模型等方面均是通用、一般和有代表性的。

图1-5所示为渗碳钢的旋转弯曲疲劳试验的样品、疲劳断口及夹杂物诱发疲劳源的特征形态，需要明确的是该样品组以及该类试验方式的结果显示，疲劳源100%起源于次表面的某一非金属夹杂处，这具有普遍的规律性。

图1-6所示为一组以标准渗碳淬火齿轮单齿弯曲为样品，进行渗碳钢疲劳试验的结果，图中包括标准齿轮、疲劳断齿及疲劳断口等，就断口的疲劳模式讲，疲劳断裂与材料非金属夹杂物相关性为零。

针对上述问题进行相关的归纳性分析，实际上包括两类。首先是各样本组内失效模式高度的一致性，这表现出的是事物发生要素的一致性和结果的必然性；其次可以见到两组（类）样本之间失效模式的差异属性，表现出了对某种要素起作用的强相关性。下面对此进行必要的相关性分析。

1）首先需要强调两类疲劳试验样本的材料和热处理工艺为通用的，依据各自的试验方法制备样品并进行试验。其差异是试验样品的结构和加载方式有差异，这应该是需要关注的强相关要素。而且，试验结果具有普遍性和规律性，两者差异在于旋弯试样被认为是弹性结构，标准齿轮轮齿结构是刚性的。

2）需要强调另一种典型的案例，在高强度变截面弹簧的可靠性试验（单向弯曲）中，偶有由夹杂物在次表层诱发疲劳源的问题，如图1-7所示。试验条件是上限应力为1100MPa，弹簧钢的硬度≥50HRC。综合渗碳钢旋弯疲劳试验和高强度变截面弹簧的上述表现，就其中的相关机理和条件等问题讨论如下，并强调一些基本的技术理念。

首先强调非金属夹杂物诱发疲劳裂纹源需要在弹性结构条件下，结构符合胡克定律，即应力应变为线性关系。而齿轮轮齿为刚性结构，应力应变的关系不符合胡克定律，故不发生此类现象。

由此可见，夹杂物诱发疲劳源的力学模型条件为对弹性应变的敏感性，对疲劳应力≥1000MPa的上限疲劳应力，致裂的弹性应变大约在5‰。另外，强调硬度在50HRC以下的材料状态不会发生这种现象，是因为强度不足而应变加不上。而且，该种状态高应变下夹杂物诱发疲劳源，并非属于降低疲劳强度，而是结构钢的内在本质和属性。

关于非金属夹杂物诱发疲劳的机理应该来自于“介观力学”，对应变敏感性主要是夹杂物弹性模量与基体弹性模量的差异所致。而且，强调因弹性模量差异导致的夹杂物与基体剥离后形成了孔洞效应，才进入到应力集中的裂纹源萌生阶段。

3）作为夹杂物诱发疲劳的失效模式分析，必须强调“质证不可或缺”的理念，那就是以夹杂物为核心的疲劳失效模式的技术质证的存在。它与材料检验中夹杂物的等级，以及断口上显露的其他夹杂物没有任何关系。而且，其表达的是结构件应变量的指标，是内在属性，并非对疲劳强度的降低。

经常见到的疲劳失效分析中所谓“夹杂物降低疲劳强度诱发疲劳”的说法，一是将材料疲劳性能研究结果与汽车构件可靠性技术条件的两个概念混淆了，更多的是没有必要，以及严重技术偏离的失效模式技术质证的推论，这不符合逻辑推理。

小结：上述讨论是针对夹杂物在疲劳过程中的表现和必要条件进行的，应用了“完全归纳推理”和“类比推理”两种归纳逻辑方法，综合及归纳包含从失效机理、失效模式和思维理念等各方面。作为汽车失效分析工程师，首先关注的是失效模式，关注其特征及规律性，以及其普遍性及特殊性；然后是分析其结构及力学条件和材料组织及强度的匹配关系；在此基础上也需要对相关的机理进行探讨。但无论是哪方面的技术分析或研究，都需要站在汽车工程技术的平台上看待问题，每一项推论和技术改进建议都需要符合工程技术实际。

相关的综合归纳是我们形成或建立汽车零部件失效模式系统，以及思维认知体系的必要手段。归纳出的规律性、概念、理念及机理等，具有在失效分析中应用推广的价值。