金属断裂与失效分析精品PPT课件.ppt

1、金金 属属 的的 断断 裂裂 与与 失失 效效 材料工程系主任材料工程系主任能源重化工装备材料工程研究中心常务副主任能源重化工装备材料工程研究中心常务副主任 博士博士 第一章 失效与失效分析 检修的目的就是： 确定部件是否处于安全、有效工作状态。 发现缺陷、消除缺陷。一、部件失效一、部件失效一）失效：（1）完全不能工作。（2）虽然能工作，但性能恶劣，超过规定指标。（3）有严重损伤、失去安全工作能力。二）类型（1）表面损伤失效：磨损、腐蚀（2）断裂失效：超温、超载、腐蚀、疲劳、腐 蚀、氢脆、蠕变，它们的联合作用。 （3）变形失效：弹性变形，塑性变形，蠕变变 形，应力松弛。（4）材质变化失效：冶金

2、因素、化学作用、组 织变化。三）失效与时间的关系失效率与使用时间的关系图四）失效判据1变形判据：过量塑性变形或过量弹性变形。2组织和性能判据：磷编聚（脆化），组织变化，蠕变，孔洞，碳化物析出物理性能、机械性能（高温）的变化：持久温度蠕变温度。3裂纹判据显微裂纹判据：出现蠕变裂纹。客观裂纹判据：出现宏观裂纹（断裂力学方法）。断裂判据：断裂而导致失效。4表面损伤判据：零件尺寸判据，尺寸改变超过允许值。表面损伤判据，麻点、蚀坑、剥落引起的噪声、振动。5损伤失效判据：孔穴、显微裂纹、晶界弱化、晶界析出，如蠕变、热疲劳、氢损伤。6安全性判据：强度不足或安全系数不够。失效总是首先从零件或部件中最薄弱的部位

3、开始。 二、失效分析二、失效分析 失效分析：分析机械装备失效的原因，并提出对策，以防止再次发生的技术活动和管理活动（失效部件或零件的残骸上必然会保留失效过程的信息） 1失效分析的核心是分析零部件失效的原因。 2失效分析的目的在于提出对策。 3失效分析既是技术活动，也是管理活动。 残骸分析失效原因意义在于： 返馈信息完善或改进设计材料的选用、研制、工艺制定制造工艺改进、质量的提高技术规范的修定安全性和寿命分析。三、失效的主要原因三、失效的主要原因1设计上的原因：设计上的原因：（1）结构或形状不合理。）结构或形状不合理。（2）不合适的设计。）不合适的设计。 （3）提高级别使用。）提高级别使用。（4

4、）设计标准不够。）设计标准不够。2材料原因。材料原因。（1）机械性能达不到要求。）机械性能达不到要求。（2）选材标准不适。）选材标准不适。（3）错用钢材。）错用钢材。（4）缺陷：）缺陷： 铸造缺陷：疏松、缩孔、空洞、夹杂物。铸造缺陷：疏松、缩孔、空洞、夹杂物。 铸造缺陷：折叠、裂纹、流线。铸造缺陷：折叠、裂纹、流线。3加工原因：（1）加工粗糙度大，明显刀痕应力集中（2）残余应力大：冷加工、焊接裂纹（3）冷加工、热处理、焊接中裂纹应力腐蚀（宏观、微 观） 电镀液、焊接渗氢氢损伤。4安装原因： 偏心、过盈不当、次序不当、对中不良、紧固、焊接接头 问题。5操作和维护不良（1）没有执行操作规程、超温、

5、超压（2）维护不当6环境原因： 腐蚀介质：应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢脆、局部腐蚀、脱锌腐蚀、冲刷腐蚀。 氧化、水蒸汽高温氧化。四、失效分析程序四、失效分析程序（一）现场调查：保护现场、记录取证（二）残骸分析：确定首先破坏部位风扇磨转轮飞裂后经拼凑确定断裂源（三）实验研究：1结构、工艺、受力状况分析（最薄弱部位）。2无损检验。3材质分析：化学成分；金相：组织、结构分析；机械性能。4断口分析微观分析：断裂源断裂原因。宏观分析：确定断裂类型、延性、脆性、疲劳、应力腐蚀、蠕变；确定断口三要素：裂源、缓慢扩展区、快速扩展区；确定微观分析部位。5断裂力学分析：式中：y与裂纹结构几何形状及受力形成有关的系数；a

6、裂纹半长； 平均应力。裂纹不失效扩展： ： 同时反映了材料的强度和塑性指标；对于失效的“临界应力”：对于 失效的“临界裂纹尺寸”： 6模拟试验 21yKaICCayKICC/ayKIICKKI ICK五、综合分析五、综合分析 报告：失效零部件的描述、服役条件、失效前的使用记录、零部件的制造及热处理工艺、力学分析、材料质量评价失效的主要原因及影响因素、措施及建议。第二章 裂纹及断口 第一节 裂 纹 裂纹：金属的局部破断，又称裂纹，金属零（部）件在应力作用下，某些薄弱部位发生局部破断。前端尖锐、应力集中，高温下变钝。一、裂纹分类一、裂纹分类宏观形态：网状裂纹：龟裂（沿晶延伸），表面裂纹（热疲劳：铸

7、、锻、热处理、磨削）、电弧焊中均可能。原因：材料表面化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致或晶界性能下降。直线型裂纹：微裂纹扩展而成、蠕变裂纹。树枝型裂纹：主干和大量枝干，应力腐蚀裂纹，焊接中的热裂纹。其它型裂纹：圆周裂纹、周向裂纹、弧形裂纹。 树枝型裂纹环形裂纹辐射状裂纹微观形态沿晶裂纹、穿晶裂纹、混合裂纹沿晶裂纹 穿晶裂纹形成原因：工艺裂纹：铸造裂纹、锻造裂纹、热处理裂纹、焊接裂纹、磨削裂纹。使用裂纹：机械冷应力裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、蠕变裂纹。断裂力学观点稳定性裂纹：裂纹扩展非常缓慢。过渡性裂纹：开始缓慢扩展到一定尺寸后快速扩展。危脆性裂纹：裂纹扩展极快。二、裂纹的起

8、源位置二、裂纹的起源位置应力集中部位：零（部）件的形状和材料性质急剧改变的地方处于三向应力状态。材料缺陷处表面缺陷：夹砂、划痕、折叠、氧化、脱碳。内部缺陷：缩孔、气泡、疏松、偏析、夹杂物、白点、过热、过烧、粗晶。零（部）件形状：凹角凸边、缺口。 零件形状导致裂纹示意图三、裂纹的扩展方向三、裂纹的扩展方向裂纹走向应力原则：垂直于主拉伸应力方向（平行于剪切应力的方向）。强度原则：沿着最小阻力路线（材料薄弱环节或缺陷处）扩展。第二节 断 口一、断口的分类一、断口的分类宏观形态脆性断口：无明显塑性变形韧性断口：有明显塑性变形微观形态沿晶脆性断裂、解理断裂、准解理断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂、

9、韧窝断裂、蠕变断裂。 二、裂源：断口上有许多特征二、裂源：断口上有许多特征 纤维状区域中心处、放射条纹或人字条纹的收敛处、零件表面的无剪切唇处、断口的平坦区域、疲劳前沿线曲率半径最小处（贝壳状条纹放射性条纹）、腐蚀或氧化最明显处、裂源处往往有缺陷。 纤维状区域中心为裂源三、断口特征三、断口特征 延性断口 宏观特性：断口有明显的纤维区、颜色灰暗、边缘有剪切唇、有明显的塑性变形。 微观特征：大量韧窝（说明微小区内发生了强烈的塑性变形）。等轴韧窝 长型韧窝 蛇形滑移花样：以滑移面分离而断裂。 有放射状条纹及人字条纹脆性断口：无明显塑性变形断口平齐、颜色较光亮、有放射状条纹或人字条纹）解理断口微观特征

10、：解理台阶、河流花样 河流花样扇形花样穿过小晶界穿过扭转晶界沿晶断口表面呈颗粒状 热脆、回火脆性、时效脆性、过热热疲劳、焊接热裂、蠕变断裂。沿晶脆性断口 晶粒模型第三章第三章 断裂机理及特征断裂机理及特征第一节 疲劳断裂（叶片、轴等）一、疲劳断口宏观特征一、疲劳断口宏观特征断口裂源：缺口处、表面或近表面缺陷处，年轮曲率半径最小部位。疲劳断裂断口特征示意图 平滑区：疲劳断裂区，“年轮”或贝壳状条纹、裂纹扩展留下的痕迹，也有疲劳台阶或放射状条纹。 瞬断区（最终断裂区）：纤维状、放射状。 剪切唇：韧性金属。 人字花样或结晶状：脆性金属。 裂纹扩展方向垂直于年轮条纹。 二、疲劳断口微观特征：疲劳纹（辉

11、纹、二、疲劳断口微观特征：疲劳纹（辉纹、平行条纹）、疲劳台阶平行条纹）、疲劳台阶疲劳纹与疲劳断块形貌疲劳纹与疲劳断块示意图 脆性疲劳断口第二节 热疲劳 交变热应力引起的破坏称为热疲劳。 一、热应力来源一、热应力来源 1结构中温度分布不均匀引起的应力，省煤器汽塞、过热器带水汽水分层（如汽缸、减温器、汽包）。 2零件之间的温度差或约束限制金属自由膨胀或收缩引起的应力，如热膨胀接头。 3热膨胀系数不同的材料的组合形成的应力：如异种钢焊接接头。 汽缸开裂的主要原因之一：热疲劳（同时还有蠕变）。 热应力：由第一调节汽门室附近的温度波动和气轮机在启、停时汽缸内外壁温差所引起。 启动时，高温蒸汽快速流过冷态

12、汽缸温差。停机时，低温蒸汽快速流过热态汽缸温差。 进汽端高温区，较厚的法兰或缸壁与较薄部分的连接处，调节汽门之间，第一级喷嘴槽内，温度波动较大，易产生热疲劳。 转子表面也可能产生疲劳裂纹，启动频繁引起温度变化最大的调节级汽室附近（运行5年以上）。汽包上下壁、内外壁、轴向温差热应力与其他应力叠加裂纹，如汽包内壁降水管管孔周围、焊缝及人孔门处都发生过热疲劳开裂。二、宏观特征二、宏观特征 断裂处有少量或不明显塑性变形，内外壁有较厚的氧化层呈缝隙状，表面裂纹。 平行的直线型丛状裂（受热管或减温器）：垂直于管子的轴向，有时为环形横向裂纹。原因：轴向刚性较大而横向刚性较低，单向应力引起，轴向受约束。 网状

13、裂纹：龟裂。原因：二向热应力或约束造成。主汽管、汽包、汽缸常见，受热面管也可见。 三、微观特征三、微观特征 既有穿晶型也有沿晶型，裂纹尾端（热应力较小或有腐蚀介质）圆钝或稍尖（热应力较大）伴随有明显的氧化或腐蚀（腐蚀性热疲劳）。 去除断口氧化或腐蚀产物后与一般的疲劳断口相似贝壳状特征。 穿晶裂纹 沿晶裂纹沿晶断口穿晶断口混合断口第三节 氢损伤一、氢的来源一、氢的来源1金属的冶炼、热加工过程2酸洗、电镀3工作介质及与钢的反应形成（腐蚀、氧 化）二、存在形式二、存在形式1固溶于钢中H2H+3H2：从固溶体中析出，在金属内部缺陷处聚集：晶界相界、微裂纹、硫化物等夹杂物处析出白点。4形成氢化物：TiH

14、x、CH4。三、氢腐蚀（高温氢腐蚀）三、氢腐蚀（高温氢腐蚀） 水蒸汽条件下 T350 4H2O+3FeFe3O4+8H Fe3C+4H3Fe+CH4 C+4HCH4 CH4不断增多（缺陷处）局部高压裂纹四、白点四、白点 T， H从固溶体中析出H2很高压力裂纹。钢中白点在纵向断口上为椭圆形白色斑点，脆性断裂。五、宏观特征五、宏观特征 脆性断口：断口较平齐、有白色斑点。横剖面为发纹（细小裂纹），存在放射状条纹或呈颗粒状。 六、微观特征六、微观特征 多数为穿晶裂纹，也有沿晶界分布，白点裂纹的边缘呈锯齿状。 白点裂纹第四节 蠕变断裂 蠕变：金属在恆定应力下发生缓慢而又连续的塑性变形现象。 蠕变断裂：蠕

15、变量累积到一定程度导致断裂。 应力低于钢在相应温度下的屈服点，单向或多向应力。 只有在高于某一温度才发生蠕变，碳素钢300350以上，合金钢在400以上。 蠕变失效：蠕变变形失效，达到一定值，如2%。 蠕变断裂失效：形成蠕变裂纹。一、蠕变曲线一、蠕变曲线4个阶段oa：瞬时蠕变阶段ab(I)：蠕变减速阶段bc(II)：移态蠕变阶段cd(III)：蠕变加速阶段d：蠕变断裂二、蠕变速度与温度和应力的关系二、蠕变速度与温度和应力的关系 三、断裂时间与温度和应力的关系三、断裂时间与温度和应力的关系 a、B为常数 lg：常数 C：常数 应力固定时：拉尔森米列尔方程 =常数 可用来估算金属在不同温度下的寿命

16、。 等强温度：在某一温度下晶界强度与晶内强度相等。低于此温度，晶界强度高干晶内强度。高于此温度，晶界强度低于晶内强度。 四、蠕变裂纹的形成、长大四、蠕变裂纹的形成、长大 楔型蠕变裂纹（W型）：萌生于三晶粒交界处，沿晶界扩展。孔穴型蠕变裂纹（R型）：滑移带和晶界处形成微孔空位凝聚形成、长大长大过程：形核期：横晶界上形成微孔 微孔长大：晶界滑移和空位流入、形核继续形成微孔链：同一横晶界形成多个微孔形成裂纹：微孔链互连形成宏观裂纹：显微裂纹扩展形成 蠕变与疲劳交换作用五、蠕变断裂特征五、蠕变断裂特征 宏观特征：断口无明显塑性变形、断口粗糙而不平整，有氧化层，在主破口附近有许多平行裂纹。 高温蒸汽管道

17、蠕变破裂微观特征：楔型裂纹W 孔穴型裂纹R 孔穴型R 楔型裂纹W 第四章第四章 锅炉受热面管子常见事故锅炉受热面管子常见事故 锅炉事故占总事故68.3%（其中受热面管事故：46.8%，汽轮机事故18.2%，电气事故13.5% ） 除氧器（161）高加（215）省煤器（低242，高293）汽包（317）水冷壁（317）汽包（317）低温对流过热器（376）。屏式过热器（457）高温对流过热器（540）联箱主蒸汽管。 对流式：壁温比蒸汽温度高50， 辐射受热面：高70。 在P压力蒸汽条件下，应力计算：纵向应力： DP平均直径环向应力： P内压 S计算壁厚计算壁厚：在计算温度下的许用应力 修正系数，

18、无缝钢管为1。 常见事故： 长时过热爆管；短时过热爆管；材质不良爆管；腐蚀、氧化引起爆管；腐蚀性热疲劳裂纹损坏；磨损引起的爆管。一、长时过热爆管一、长时过热爆管原因： 长期超温运行：操作、结构、结焦、燃烧。宏观特征： 具有蠕变断裂特征、呈脆性断口、粗糙不平整、钝边、壁厚减薄不多，内外壁有氧化皮，破口附近有许多平行的纵向裂纹，破口张口程度不大。微观特征组织变化：珠光体球化、双晶界（向火侧严重）、碳化物聚集长大。有大量蠕变微裂纹，沿晶裂纹，沿着管子轴向。较低应力，超温较低时，为R型裂纹。温度增加：W型裂纹。硬度HB：159120。二、短时过热爆管二、短时过热爆管 冷却恶化，短时壁温突然上升可达AC

19、1或AC3以上，强度降低，向火侧管壁产生塑性变形、管径胀粗、管壁减薄。 宏观特征： 延性断裂特征、刀刃型断口、边缘锋利、管壁减薄很多，胀粗明显，张开很大呈喇叭状，表面光滑，破口附近没有裂纹。微观特征：显微组织有变化，可能形成M、B，有淬火（硬度升高HB400）组织晶粒变形：沿变形方向被拉长（F），有一定程度的球化。原因：结构布置不合理、燃烧偏心、管子被堵塞、汽包缺水、汽塞。 三、材质不良爆管三、材质不良爆管错用钢材：长时过热爆管带缺陷管子：裂纹、折叠、严重夹杂物、脱碳，沿缺陷开裂（缺陷部位及附近），脆性开裂、壁厚减薄不多，其余部分为韧性断裂。四、腐蚀性热疲劳四、腐蚀性热疲劳 前面已讲前面已讲

20、汽水分层、汽塞、过热器管带水、减温器 五、腐蚀引起的管子损坏五、腐蚀引起的管子损坏 （一）应力腐蚀：SCC 条件：存在拉应力且大于临界应力才能发生（存在临界拉应力KISCC）。 特定介质，如奥氏体不锈钢Cl-溶液，碳钢OH-溶液，碱脆，Cu氨）。 应力使表面膜破坏腐蚀进一步进行，裂纹前沿溶解。 固体腐蚀产物楔入拉应力 腐蚀产生氢脆性 起源于微小表面缺陷，裂纹有分叉。 沿晶型、穿晶型、混合型，以一种为主，支缝为另一种。 断口宏观特征：脆性断口，无明显塑性变形，与拉应力方向垂直，为褐色或暗色，有腐蚀或氧化产物，裂源多。 微观特征：沿晶型、穿晶型（泥状花样、具有块状花样，河流花样）、混合型，有二次裂

21、纹。二）碱脆 炉水中NaOH在缝隙处，内壁附着物下浓缩，低碳钢NaOH510以上，25:40%；250:10%；310:60%。 大多为沿晶型脆性断裂，有黑色腐蚀产物（氧化铁）断口附近有盐垢。第五章 汽轮机主要部件的失效分析 一、转子振动一、转子振动 1轮系振动：轮系轴向刚度较低轴向振动 叶轮叶片 具有节点直径的叶轮振动最易产生 动频率 H2 f：自振静频率 B：动频系数 ns：叶轮转数 2转子振动：转子重心相对于几何轴线会有偏移，引起离心力，产生激振力受迫振动。 激振力频率和弯曲自振频率相近时，转子产生共振。 3油膜振荡：油膜的作用力和转子的弹性力、惯性力相偶合时引起的强烈振动。大型机组易出

22、现。 二、转子热应力二、转子热应力 1温态启动时转子的热应力：预热150启动，中心孔与转子表面存在温差。 2热态启动时，温差小，热应力小。 3停机工况下转子的热应力：滑参数停机时，转子剧烈受冷，中心孔降温滞后，转子表面温差较大。 4合应力：热应力离心力之和，较大。 三、汽轮机变形：过量塑性变形三、汽轮机变形：过量塑性变形 （一）主轴变形 残余应力：运输中安置不当、安装不当、运行不安。 合格主轴变形：停机中进水未盘车热应力；运行超速，（偏心）离心力过大；启动操作不合规格；动、静部件摩擦。 采用松驰法校正：冷态试压、去冷应力退火（50/h，665810h），热压校正，去应力退火。 （二）叶轮变形

23、制造时尺寸误差较大或运行不当，破坏了动平衡振动，松驰法校正。 （三）汽缸变形（产生漏汽，汽轮机中心改变）要进行结合面修刮，调整汽轮机中心。 原因：（1）铸造残余应力过大。（2）蠕变变形：汽缸形状复杂，温度不同，蠕变变形，程度不同。（3）基础不良：不均匀下沉。（4）启停不当：热应力。（5）补焊不当。 四、开裂四、开裂 （一）汽缸开裂 常发生于汽缸的进汽区，易发生于厚的法兰、凸肩与缸壁的连接处，温度波动较大的各调节汽门汽道之间。 主要原因：热应力。 蠕变疲劳交互作用，蠕变脆性：持久塑性，铸造缺陷，结构不良，补焊：硬化、脆化、残余应力过高（区域）。 （二）转子开裂 内部缺陷引起，运行不当：超速、进水

24、等；轴承产生油膜共振；套装件过盈不当。 （三）叶轮开裂 应力腐蚀：湿蒸汽使Cl-、S、Na等浓缩，Na2CO3、NaCl、NaCl、Na2SO4，产物为Fe2O3、Fe3O4，如叶轮键槽圆角处的缝隙。 较高的离心力 超速 热疲劳 五、叶片振动五、叶片振动 1激振力强迫振动，振幅较小。 低频激振力： 转子振动传给叶片； 进汽不均匀，喷嘴节距不均匀，损坏与叶片间隙不均匀； 抽汽管、排汽管、汽流通等结构引起。 高频激振动：叶片在喷嘴位置变的压力大于其他位置，进水时振幅较大疲劳损坏 2自振 切向振动、轴向振动、扭转振动、A型振动（叶根固定、叶顶自由）、B型振动（叶根、叶顶固定）。 激振、自振频率相同时

25、共振，振幅大疲劳。 3疲劳断裂 （1）短期超载疲劳断裂n107108次，所受应力低于疲劳极限。 a高频振动导致叶片共振。 b叶片表面有缺陷、夹杂、蚀坑、划痕。 c运行不正常：低周波运行、超负荷运行、低负荷运行。 4叶片根部微动磨损疲劳断裂 叶根和叶轮的接触部位产生微量往返滑动。 5高温疲劳断裂 发生于高压级上、中压级的前几级。 蠕变疲劳交互使用。 高温氧化是促使疲劳裂纹产生和扩展的原因。 六、螺栓的断裂六、螺栓的断裂 1密封应力来源于弹性变形（热紧） 应力松驰：弹性变形塑性变形 总应变： ：弹性应变 ：塑性变形 2螺栓的脆化 （1）P在晶界实集（包括O.C）25Cr2Mo1V （Mo有抑制作用

26、）4万小时以上。 （2）碳化物在晶界呈片状析出。 3螺栓的蠕变断裂。 4疲劳：产生于最大负荷螺纹扣或缺陷处。 5加热不当。p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日