化工機(jī)械的失效形式

1、一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 43 疲勞斷口的顯微特征疲勞斷口的顯微特征 疲勞斷口的萌生區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)，在電鏡中放疲勞斷口的萌生區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)，在電鏡中放 大至千倍大至千倍(以致上萬倍以致上萬倍)時(shí)可以觀察到的主要特時(shí)可以觀察到的主要特 征是征是“海灘狀海灘狀”的的“疲勞輝紋疲勞輝紋”。圖。圖35151所所 示的示的4幅掃描電鏡照片為疲勞斷口中很典型的幅掃描電鏡照片為疲勞斷口中很典型的 具有海灘狀花樣的疲勞輝紋。其形成機(jī)理和圖具有海灘狀花樣的疲勞輝紋。其形成機(jī)理和圖 35142所描述的原理一樣，每一次載荷的所描述的原理一樣，每一次載荷的 交變便使裂紋向前擴(kuò)展一個(gè)交變便使裂紋向前

2、擴(kuò)展一個(gè)a的微量，這在的微量，這在 斷口上就留下一個(gè)微小裂紋前緣發(fā)生過塑性變斷口上就留下一個(gè)微小裂紋前緣發(fā)生過塑性變 形的痕跡。形的痕跡。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 不是所有金屬材料的電子顯微疲勞斷口都有清晰不是所有金屬材料的電子顯微疲勞斷口都有清晰 整齊的海灘狀輝紋。一般是鋁合金和鎳合金的疲整齊的海灘狀輝紋。一般是鋁合金和鎳合金的疲 勞輝紋十分清晰整齊；奧氏體不銹鋼疲勞斷口的勞輝紋十分清晰整齊；奧氏體不銹鋼疲勞斷口的 疲勞輝紋也較清晰；而低合金鋼，特別是強(qiáng)度較疲勞輝紋也較清晰；而低合金鋼，特別是強(qiáng)度較 高的低合金鋼這類鐵素體和珠光體類鋼的輝紋往高的低合金鋼這類鐵素體和珠光

3、體類鋼的輝紋往 往很不清晰，這反映了晶體學(xué)結(jié)構(gòu)的不同所造成往很不清晰，這反映了晶體學(xué)結(jié)構(gòu)的不同所造成 的斷口細(xì)觀形貌的差別。有時(shí)甚至只在局部微區(qū)的斷口細(xì)觀形貌的差別。有時(shí)甚至只在局部微區(qū) 觀察到觀察到“輪胎狀輪胎狀”的花樣，如圖的花樣，如圖35151(d)所所 示，這也是疲勞輝紋。這往往是由于斷口上的較示，這也是疲勞輝紋。這往往是由于斷口上的較 硬質(zhì)點(diǎn)在每次循環(huán)時(shí)又有切向位移而留下的壓痕。硬質(zhì)點(diǎn)在每次循環(huán)時(shí)又有切向位移而留下的壓痕。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 從圖從圖35142所示的疲所示的疲 勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理可知這種勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理可知這種 擴(kuò)展是基于裂尖的塑性變擴(kuò)展是基于裂

4、尖的塑性變 形，屬于韌性的擴(kuò)展，因形，屬于韌性的擴(kuò)展，因 而通常是以穿晶方式擴(kuò)展而通常是以穿晶方式擴(kuò)展 的。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展通過的。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展通過 晶界而進(jìn)入另一個(gè)晶粒時(shí)晶界而進(jìn)入另一個(gè)晶粒時(shí) 同樣也會(huì)以穿晶方式擴(kuò)展，同樣也會(huì)以穿晶方式擴(kuò)展， 其斷裂面從宏觀上看基本其斷裂面從宏觀上看基本 上與最大拉伸主應(yīng)力相垂上與最大拉伸主應(yīng)力相垂 直。直。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 由于金屬為多晶體結(jié)構(gòu)，在裂紋疲勞擴(kuò)展過程由于金屬為多晶體結(jié)構(gòu)，在裂紋疲勞擴(kuò)展過程 中一般會(huì)受到晶粒結(jié)晶方位的取向、晶界及晶中一般會(huì)受到晶粒結(jié)晶方位的取向、晶界及晶 粒中第二相質(zhì)點(diǎn)等因素的影響，斷口上的疲勞粒

5、中第二相質(zhì)點(diǎn)等因素的影響，斷口上的疲勞 輝紋輝紋(亦即疲勞條帶亦即疲勞條帶)不一定處在一個(gè)完整的平不一定處在一個(gè)完整的平 面上。如圖面上。如圖35152所示，在不同高度的擴(kuò)所示，在不同高度的擴(kuò) 展臺(tái)面之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階，這種臺(tái)階展臺(tái)面之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階，這種臺(tái)階 稱之為疲勞斑片。在疲勞擴(kuò)展過程中有時(shí)還會(huì)稱之為疲勞斑片。在疲勞擴(kuò)展過程中有時(shí)還會(huì) 形成形成“二次裂紋二次裂紋”，這是裂紋生成的次生方向，這是裂紋生成的次生方向 的小裂紋，在掃描電鏡中觀察疲勞斷口時(shí)有時(shí)的小裂紋，在掃描電鏡中觀察疲勞斷口時(shí)有時(shí) 會(huì)觀察到這種斑片和臺(tái)階。會(huì)觀察到這種斑片和臺(tái)階。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)

6、械的失效形式 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 進(jìn)行疲勞斷口鑒別時(shí)尋找疲勞輝紋進(jìn)行疲勞斷口鑒別時(shí)尋找疲勞輝紋(條帶條帶) 是重要的依據(jù)，但應(yīng)與一些高韌性鋼的平是重要的依據(jù)，但應(yīng)與一些高韌性鋼的平 行的滑移線相區(qū)別。不僅要依靠電子顯微行的滑移線相區(qū)別。不僅要依靠電子顯微 鏡觀察，同時(shí)應(yīng)注重疲勞斷口宏觀特征分鏡觀察，同時(shí)應(yīng)注重疲勞斷口宏觀特征分 析，還要結(jié)合是否有交變載荷源存在，包析，還要結(jié)合是否有交變載荷源存在，包 括壓力或其他來源的載荷的交變，也包括括壓力或其他來源的載荷的交變，也包括 熱載荷熱載荷(溫差溫差)的交變。只有當(dāng)各方向的分的交變。只有當(dāng)各方向的分 析結(jié)果綜合起來才能得出

7、正確的結(jié)論。析結(jié)果綜合起來才能得出正確的結(jié)論。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 需要說明的是，宏觀上觀察到斷口上的需要說明的是，宏觀上觀察到斷口上的“貝殼紋貝殼紋” 不是電鏡中的海灘狀的疲勞輝紋，但兩者有密切不是電鏡中的海灘狀的疲勞輝紋，但兩者有密切 聯(lián)系。宏觀上的貝殼紋是交變載荷的應(yīng)力幅值有聯(lián)系。宏觀上的貝殼紋是交變載荷的應(yīng)力幅值有 明顯變化時(shí)造成每次交變循環(huán)的擴(kuò)展量變大或變明顯變化時(shí)造成每次交變循環(huán)的擴(kuò)展量變大或變 小，因此貝殼紋處和兩條貝殼紋之間區(qū)域放大后小，因此貝殼紋處和兩條貝殼紋之間區(qū)域放大后 觀察到的疲勞輝紋的密度會(huì)有較明顯的區(qū)別。可觀察到的疲勞輝紋的密度會(huì)有較明顯的

8、區(qū)別?？?以說只有在變載荷時(shí)才會(huì)形成宏觀上的貝殼紋。以說只有在變載荷時(shí)才會(huì)形成宏觀上的貝殼紋。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 實(shí)際上由于每一循環(huán)就在斷口上留下一條輝紋，實(shí)際上由于每一循環(huán)就在斷口上留下一條輝紋， 因此可以從輝紋間測(cè)得的間距大體可以計(jì)算出因此可以從輝紋間測(cè)得的間距大體可以計(jì)算出 疲勞擴(kuò)展速率疲勞擴(kuò)展速率(da/dN)。疲勞裂紋萌生區(qū)的擴(kuò)展。疲勞裂紋萌生區(qū)的擴(kuò)展 速率極低，有時(shí)放大到上萬倍時(shí)才可看到，也速率極低，有時(shí)放大到上萬倍時(shí)才可看到，也 可能仍舊觀察不到?？赡苋耘f觀察不到。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 44 疲勞斷裂失效的預(yù)防 441 一般預(yù)

9、防原則 預(yù)防疲勞失效預(yù)防疲勞失效(不論高周疲勞或低周疲勞不論高周疲勞或低周疲勞)發(fā)生的發(fā)生的 一般原則是降低應(yīng)力水平和減小應(yīng)力集中。一般原則是降低應(yīng)力水平和減小應(yīng)力集中。 應(yīng)力水平主要是構(gòu)件中的公稱應(yīng)力水平主要是構(gòu)件中的公稱(名義名義)應(yīng)力。該應(yīng)應(yīng)力。該應(yīng) 力愈高則應(yīng)力集中處的應(yīng)力峰值也隨之愈高，對(duì)力愈高則應(yīng)力集中處的應(yīng)力峰值也隨之愈高，對(duì) 疲勞失效自然不利。但不可能為追求低應(yīng)力而將疲勞失效自然不利。但不可能為追求低應(yīng)力而將 構(gòu)件設(shè)計(jì)得厚而粗笨，只能控制在合理的水平。構(gòu)件設(shè)計(jì)得厚而粗笨，只能控制在合理的水平。 在按疲勞設(shè)計(jì)的在按疲勞設(shè)計(jì)的S-N曲線設(shè)計(jì)時(shí)不要過于追求較曲線設(shè)計(jì)時(shí)不要過于追求較

10、高的應(yīng)力以求得薄與輕?？垢咧芷诘牧悴考?，高的應(yīng)力以求得薄與輕?？垢咧芷诘牧悴考?， 由于應(yīng)力幅低，可以采用較高強(qiáng)度和較高疲勞持由于應(yīng)力幅低，可以采用較高強(qiáng)度和較高疲勞持 久極限的材料。久極限的材料。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 減小構(gòu)件的應(yīng)力集中，實(shí)際上涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加減小構(gòu)件的應(yīng)力集中，實(shí)際上涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加 工制造和原材料的冶金或軋制質(zhì)量諸多方面。結(jié)工制造和原材料的冶金或軋制質(zhì)量諸多方面。結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)尺寸有突變之處，如軸頸及臺(tái)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)尺寸有突變之處，如軸頸及臺(tái) 階處，盡量設(shè)計(jì)有較大過渡圓弧的圓角。制造時(shí)階處，盡量設(shè)計(jì)有較大過渡圓弧的圓角。制造時(shí) 特別對(duì)高

11、周疲勞的構(gòu)件必須注意表面加工的光潔特別對(duì)高周疲勞的構(gòu)件必須注意表面加工的光潔 度，軸類零件的加工刀痕常常是疲勞裂紋的萌生度，軸類零件的加工刀痕常常是疲勞裂紋的萌生 之處。材料的內(nèi)在質(zhì)量如冶金時(shí)的夾渣、粗大的之處。材料的內(nèi)在質(zhì)量如冶金時(shí)的夾渣、粗大的 二次析出相、軋制材料的折疊缺陷都容易是疲勞二次析出相、軋制材料的折疊缺陷都容易是疲勞 裂紋的萌生之處。因此，按抗疲勞設(shè)計(jì)的零部件裂紋的萌生之處。因此，按抗疲勞設(shè)計(jì)的零部件 應(yīng)采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的原材料。應(yīng)采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的原材料。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 442 壓力容器低周疲勞失效的預(yù)防措施 (1)選用合適的抗疲勞材料選用合適的抗疲勞

12、材料 材料的低周疲勞破壞試驗(yàn)證實(shí)，低碳鋼與碳錳鋼等材料的低周疲勞破壞試驗(yàn)證實(shí)，低碳鋼與碳錳鋼等 強(qiáng)度級(jí)別不高而塑性韌性較好的鋼，具有較好的抗強(qiáng)度級(jí)別不高而塑性韌性較好的鋼，具有較好的抗 低周疲勞失效的能力。因此，用這類鋼材制造容器、低周疲勞失效的能力。因此，用這類鋼材制造容器、 接管或作為接管根部的焊接材料較為合理。接管或作為接管根部的焊接材料較為合理。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 (2)按分析設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)按分析設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì) 通常沒有疲勞失效可能的容器是按一次應(yīng)力進(jìn)行設(shè)通常沒有疲勞失效可能的容器是按一次應(yīng)力進(jìn)行設(shè) 計(jì)的。如果有交變載荷計(jì)的。如果有交變載荷(壓力或溫度的

13、交變壓力或溫度的交變)可能會(huì)可能會(huì) 導(dǎo)致容器某些區(qū)域發(fā)生低周疲勞失效的，則必須按導(dǎo)致容器某些區(qū)域發(fā)生低周疲勞失效的，則必須按 以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的規(guī)范進(jìn)行疲勞分析。其具體規(guī)以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的規(guī)范進(jìn)行疲勞分析。其具體規(guī) 定應(yīng)參見美國(guó)定應(yīng)參見美國(guó)ASME的鍋爐壓力容器規(guī)范第的鍋爐壓力容器規(guī)范第卷第卷第 二冊(cè)或我國(guó)壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范二冊(cè)或我國(guó)壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范JB 4732。按這。按這 些規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，需要相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟些規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，需要相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟 件支持，但設(shè)計(jì)出的容器其可靠性要高得多。件支持，但設(shè)計(jì)出的容器其可靠性要高得多。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形

14、式 設(shè)計(jì)中不單是應(yīng)力分析是按疲勞設(shè)計(jì)曲線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中不單是應(yīng)力分析是按疲勞設(shè)計(jì)曲線設(shè)計(jì)， 還必須同時(shí)注意結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，既要有最佳還必須同時(shí)注意結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，既要有最佳 的低的應(yīng)力集中系數(shù)，又要制造時(shí)力求方便的低的應(yīng)力集中系數(shù)，又要制造時(shí)力求方便(詳詳 見本手冊(cè)上卷第見本手冊(cè)上卷第11篇第篇第9章章)。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 (3)制造和在役檢驗(yàn)中應(yīng)注意的問題制造和在役檢驗(yàn)中應(yīng)注意的問題 按疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的壓力容器，在制造中也應(yīng)有更按疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的壓力容器，在制造中也應(yīng)有更 高的要求。原則是消除不應(yīng)有的應(yīng)力集中。特別是在高的要求。原則是消除不應(yīng)有的應(yīng)力集中。

15、特別是在 原有應(yīng)力集中的部位不得有材料內(nèi)部及表面的缺陷，原有應(yīng)力集中的部位不得有材料內(nèi)部及表面的缺陷， 不得允許保留引弧坑和焊疤，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須打磨盤平不得允許保留引弧坑和焊疤，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須打磨盤平 滑或補(bǔ)焊填平后再修磨。接管根部的焊縫不僅要保證滑或補(bǔ)焊填平后再修磨。接管根部的焊縫不僅要保證 有較大的過渡圓角，而且要力求將圓角的表面修磨光有較大的過渡圓角，而且要力求將圓角的表面修磨光 滑。至于焊縫內(nèi)更不允許有裂紋、未焊透及未熔合缺滑。至于焊縫內(nèi)更不允許有裂紋、未焊透及未熔合缺 陷。即使氣孔也會(huì)降低疲勞壽命。制造時(shí)必須作過細(xì)陷。即使氣孔也會(huì)降低疲勞壽命。制造時(shí)必須作過細(xì) 而嚴(yán)格的無損檢測(cè)。為確保無

16、損檢測(cè)可靠性，一般不而嚴(yán)格的無損檢測(cè)。為確保無損檢測(cè)可靠性，一般不 應(yīng)將關(guān)鍵的焊縫設(shè)計(jì)成角焊縫，應(yīng)改為對(duì)接焊縫，這應(yīng)將關(guān)鍵的焊縫設(shè)計(jì)成角焊縫，應(yīng)改為對(duì)接焊縫，這 既可保證焊接質(zhì)量，也便于進(jìn)行無損檢測(cè)。既可保證焊接質(zhì)量，也便于進(jìn)行無損檢測(cè)。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 對(duì)在役的受交變載荷作用的壓力容器，無論其是對(duì)在役的受交變載荷作用的壓力容器，無論其是 否已按疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，均必須按有關(guān)的檢驗(yàn)否已按疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，均必須按有關(guān)的檢驗(yàn) 規(guī)程進(jìn)行嚴(yán)格的定期檢驗(yàn)。其中焊縫，尤其是接規(guī)程進(jìn)行嚴(yán)格的定期檢驗(yàn)。其中焊縫，尤其是接 管根部或其他內(nèi)外部受交變載荷作用的應(yīng)力集中管根部或其他內(nèi)

17、外部受交變載荷作用的應(yīng)力集中 部位，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，包括外觀的檢驗(yàn)和各部位，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，包括外觀的檢驗(yàn)和各 種適宜的無損檢測(cè)，其目的是檢查是否出現(xiàn)裂紋。種適宜的無損檢測(cè)，其目的是檢查是否出現(xiàn)裂紋。 一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須認(rèn)真處理。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須認(rèn)真處理。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 (4)預(yù)壓應(yīng)力處理預(yù)壓應(yīng)力處理 對(duì)承受交變載荷的構(gòu)件表面對(duì)承受交變載荷的構(gòu)件表面(最容易形成表面疲勞最容易形成表面疲勞 裂紋的地方裂紋的地方)預(yù)先施加壓應(yīng)力預(yù)先施加壓應(yīng)力(如噴丸處理或表面滾如噴丸處理或表面滾 壓壓)，運(yùn)行時(shí)零部件表面所承受的應(yīng)力就會(huì)明顯下降，運(yùn)行時(shí)零部件表面所承受的應(yīng)力就會(huì)明顯下降，

18、 同時(shí)將增加疲勞周次，也即提高了疲勞壽命。同時(shí)將增加疲勞周次，也即提高了疲勞壽命。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 (5)過載處理過載處理 對(duì)承受交變載荷的構(gòu)件、且已發(fā)現(xiàn)有疲勞開裂時(shí)，可以采對(duì)承受交變載荷的構(gòu)件、且已發(fā)現(xiàn)有疲勞開裂時(shí)，可以采 取比正常設(shè)計(jì)載荷高出取比正常設(shè)計(jì)載荷高出1320倍的戴荷進(jìn)行一次過倍的戴荷進(jìn)行一次過 載載(超載超載)處理，所有國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)均已證實(shí)這可以將疲勞處理，所有國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)均已證實(shí)這可以將疲勞 壽命提高好幾倍。因?yàn)椋谧鬟^載處理時(shí)裂尖將產(chǎn)生一個(gè)壽命提高好幾倍。因?yàn)?，在作過載處理時(shí)裂尖將產(chǎn)生一個(gè) 比正常受載時(shí)更大的塑性區(qū)，卸載后將受到比正常受載荷比正

19、常受載時(shí)更大的塑性區(qū)，卸載后將受到比正常受載荷 卸載時(shí)更大的壓縮虛力。一次超載后重又回復(fù)到正常加載，卸載時(shí)更大的壓縮虛力。一次超載后重又回復(fù)到正常加載， 此時(shí)裂尖塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力由于超載壓應(yīng)力的作用而要降低此時(shí)裂尖塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力由于超載壓應(yīng)力的作用而要降低 得多，從而大大降低了裂紋擴(kuò)展推動(dòng)力，致使擴(kuò)展速率減得多，從而大大降低了裂紋擴(kuò)展推動(dòng)力，致使擴(kuò)展速率減 慢，壽命可得到延長(zhǎng)。只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到裂尖塑性區(qū)慢，壽命可得到延長(zhǎng)。只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到裂尖塑性區(qū)(正正 常載荷下的常載荷下的)的邊緣達(dá)到或稍微超過超載時(shí)形成的大塑性的邊緣達(dá)到或稍微超過超載時(shí)形成的大塑性 區(qū)的邊緣時(shí)，超載的影響才會(huì)消失，恢復(fù)到超載

20、前應(yīng)有擴(kuò)區(qū)的邊緣時(shí)，超載的影響才會(huì)消失，恢復(fù)到超載前應(yīng)有擴(kuò) 展速率。但此時(shí)壽命已得到數(shù)倍的延長(zhǎng)。這就是過載峰的展速率。但此時(shí)壽命已得到數(shù)倍的延長(zhǎng)。這就是過載峰的 延長(zhǎng)壽命作用。延長(zhǎng)壽命作用。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 超載處理技術(shù)早期是由航空工業(yè)部門研究的，超載處理技術(shù)早期是由航空工業(yè)部門研究的， 后經(jīng)實(shí)踐證明超載可以明顯的延長(zhǎng)壽命，故直后經(jīng)實(shí)踐證明超載可以明顯的延長(zhǎng)壽命，故直 到現(xiàn)在已成為航空部門對(duì)飛機(jī)必須進(jìn)行超載處到現(xiàn)在已成為航空部門對(duì)飛機(jī)必須進(jìn)行超載處 理的規(guī)定。理的規(guī)定。 對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有小的疲勞裂紋的容器進(jìn)行超載對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有小的疲勞裂紋的容器進(jìn)行超載 試驗(yàn)，試驗(yàn)，

21、同樣證明，可以數(shù)以倍計(jì)地增長(zhǎng)壽命。同樣證明，可以數(shù)以倍計(jì)地增長(zhǎng)壽命。 超載只是使裂尖塑性區(qū)變大，不會(huì)使構(gòu)件的其超載只是使裂尖塑性區(qū)變大，不會(huì)使構(gòu)件的其 他部位產(chǎn)生屈服和材料硬化，所以對(duì)其他部位他部位產(chǎn)生屈服和材料硬化，所以對(duì)其他部位 沒有不利影響。沒有不利影響。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 5 腐蝕失效 環(huán)境因素的廣義概念應(yīng)包括化學(xué)介質(zhì)和溫度兩個(gè)方環(huán)境因素的廣義概念應(yīng)包括化學(xué)介質(zhì)和溫度兩個(gè)方 面。本節(jié)著重討論化工設(shè)備所處的介質(zhì)環(huán)境引起的面。本節(jié)著重討論化工設(shè)備所處的介質(zhì)環(huán)境引起的 腐蝕問題。有關(guān)金屬材料的各種腐蝕原理和形態(tài)可腐蝕問題。有關(guān)金屬材料的各種腐蝕原理和形態(tài)可 詳見本

22、手冊(cè)上卷第詳見本手冊(cè)上卷第6篇，本節(jié)著重闡明腐蝕失效的篇，本節(jié)著重闡明腐蝕失效的 特殊性。特殊性。 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 結(jié)構(gòu)上常用的金屬材料均屬多晶結(jié)構(gòu)材料，晶粒間結(jié)構(gòu)上常用的金屬材料均屬多晶結(jié)構(gòu)材料，晶粒間 總存在著晶界。晶間腐蝕就是指晶界發(fā)生的腐蝕，總存在著晶界。晶間腐蝕就是指晶界發(fā)生的腐蝕， 包括晶界及其附近很窄的區(qū)域在內(nèi)的區(qū)間發(fā)生的腐包括晶界及其附近很窄的區(qū)域在內(nèi)的區(qū)間發(fā)生的腐 蝕。當(dāng)腐蝕介質(zhì)對(duì)晶界區(qū)的腐蝕速度大大超過晶粒蝕。當(dāng)腐蝕介質(zhì)對(duì)晶界區(qū)的腐蝕速度大大超過晶粒 被腐蝕的速度時(shí)，則顯現(xiàn)出晶間腐蝕。被腐蝕的速度時(shí)，則顯現(xiàn)出晶間腐蝕。 51 晶間腐蝕失效晶間腐

23、蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 對(duì)晶間腐蝕問題的認(rèn)識(shí)是隨著奧氏體不銹鋼的廣泛對(duì)晶間腐蝕問題的認(rèn)識(shí)是隨著奧氏體不銹鋼的廣泛 應(yīng)用和日益增多的這類腐蝕失效事故的發(fā)生而逐步應(yīng)用和日益增多的這類腐蝕失效事故的發(fā)生而逐步 發(fā)展的。發(fā)展的。20世紀(jì)世紀(jì)30年代初已提出了能較好解釋奧氏年代初已提出了能較好解釋奧氏 體不銹鋼晶間腐蝕的晶界貧鉻理論，至今仍為人們體不銹鋼晶間腐蝕的晶界貧鉻理論，至今仍為人們 所認(rèn)可。用于其他金屬的類似理論也能較好地解釋所認(rèn)可。用于其他金屬的類似理論也能較好地解釋 各自的晶間腐蝕問題。這類理論統(tǒng)稱為貧乏理論。各自的晶間腐蝕問題。這類理論統(tǒng)稱為貧乏理論。 不過貧

24、乏理論不是能解釋所有晶間腐蝕問題的惟一不過貧乏理論不是能解釋所有晶間腐蝕問題的惟一 理論。理論。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 常見的奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕主要發(fā)生在焊接區(qū)，特別常見的奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕主要發(fā)生在焊接區(qū)，特別 是母材的焊接熱影響區(qū)宏觀形態(tài)上表現(xiàn)為母材情況良好。是母材的焊接熱影響區(qū)宏觀形態(tài)上表現(xiàn)為母材情況良好。 因?yàn)?，母材部分在軋制成板材出廠之前已進(jìn)行過固溶化處因?yàn)椋覆牟糠衷谲堉瞥砂宀某鰪S之前已進(jìn)行過固溶化處 理，即從理，即從1000以上快速冷卻，迅速越過以上快速冷卻，迅速越過850400碳化碳化 物物(主要是主要是Cr23C

25、6)析出的敏感溫度區(qū)間，晶界附近一般不析出的敏感溫度區(qū)間，晶界附近一般不 可能再出現(xiàn)導(dǎo)致晶間腐蝕的貧鉻區(qū)。但焊縫附近母材熱影可能再出現(xiàn)導(dǎo)致晶間腐蝕的貧鉻區(qū)。但焊縫附近母材熱影 響區(qū)在焊接時(shí)不可能作固溶化處理，在其焊后緩慢冷卻過響區(qū)在焊接時(shí)不可能作固溶化處理，在其焊后緩慢冷卻過 程中本來被固溶的且呈過飽和狀態(tài)的碳及碳化物，則有足程中本來被固溶的且呈過飽和狀態(tài)的碳及碳化物，則有足 夠的時(shí)間在夠的時(shí)間在850400的敏化溫度區(qū)間析出并向晶界遷移，的敏化溫度區(qū)間析出并向晶界遷移， 從而在晶界附近則會(huì)出現(xiàn)貧鉻區(qū)，于是有了產(chǎn)生晶間腐蝕從而在晶界附近則會(huì)出現(xiàn)貧鉻區(qū)，于是有了產(chǎn)生晶間腐蝕 的組織條件。減少焊縫

26、發(fā)生晶間腐蝕情況的主要方法是采的組織條件。減少焊縫發(fā)生晶間腐蝕情況的主要方法是采 用含碳量很低的焊條焊絲，同時(shí)含有更能快速形成碳化物用含碳量很低的焊條焊絲，同時(shí)含有更能快速形成碳化物 的鈮、鈦元素，以防止形成的鈮、鈦元素，以防止形成Cr23C6。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 減小奧氏體不銹鋼材料晶間腐蝕傾向的方法，減小奧氏體不銹鋼材料晶間腐蝕傾向的方法， 過去主要依靠冶金時(shí)添加鈦元素，使碳更優(yōu)先過去主要依靠冶金時(shí)添加鈦元素，使碳更優(yōu)先 與鈦形成碳化鈦，而減少碳與鉻轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟t與鈦形成碳化鈦，而減少碳與鉻轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟t 的機(jī)會(huì)。這就是過去習(xí)慣使用的

27、機(jī)會(huì)。這就是過去習(xí)慣使用1Crl8Ni9Ti的原的原 因。后來改用因。后來改用304和和304L等不銹鋼的原因。首等不銹鋼的原因。首 先是盡可能降低鋼中的碳含量，力求得到低碳先是盡可能降低鋼中的碳含量，力求得到低碳 甚至超低碳的奧氏體不銹鋼。其次還可再添加甚至超低碳的奧氏體不銹鋼。其次還可再添加 鈮和鈦等更易形成碳化物的元素，于是出現(xiàn)了鈮和鈦等更易形成碳化物的元素，于是出現(xiàn)了 321（即（即0Cr18Ni11Ti）等低碳含鈦的奧氏體）等低碳含鈦的奧氏體 不銹鋼。不銹鋼。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 除上述固溶化處理可以大大改善晶間腐蝕傾向除上述

28、固溶化處理可以大大改善晶間腐蝕傾向 外，添加鈦和鈮的不銹鋼還可用穩(wěn)定化熱處理來外，添加鈦和鈮的不銹鋼還可用穩(wěn)定化熱處理來 降低晶間腐蝕傾向。穩(wěn)定化處理是將奧氏體不銹降低晶間腐蝕傾向。穩(wěn)定化處理是將奧氏體不銹 鋼加熱至鋼加熱至900 讓鈦或鈮首先與碳形成碳化物，讓鈦或鈮首先與碳形成碳化物， 于是就沒有可能再在晶界析出碳化鉻和出現(xiàn)貧鉻于是就沒有可能再在晶界析出碳化鉻和出現(xiàn)貧鉻 區(qū)。區(qū)。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 511 晶間腐蝕的金相檢驗(yàn) 以奧氏體不銹鋼為例，發(fā)生晶以奧氏體不銹鋼為例，發(fā)生晶 間腐蝕是由于在間腐蝕是由于在400850 的敏化溫度范

29、圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)，的敏化溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)， 在晶界析出在晶界析出Cr23C6碳化物相之碳化物相之 后出現(xiàn)貧鉻區(qū)，使晶界區(qū)的抗后出現(xiàn)貧鉻區(qū)，使晶界區(qū)的抗 腐蝕能力明顯下降。貧鉻區(qū)的腐蝕能力明顯下降。貧鉻區(qū)的 情況如圖情況如圖35153(a)所示，所示， 圖圖(b)表示兩個(gè)晶粒之間的晶表示兩個(gè)晶粒之間的晶 界截面上，在介質(zhì)作用下由表界截面上，在介質(zhì)作用下由表 面向內(nèi)被腐蝕的發(fā)展過程。面向內(nèi)被腐蝕的發(fā)展過程。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 經(jīng)過一段時(shí)間之后，沿經(jīng)過一段時(shí)間之后，沿 壁厚方向被腐蝕的晶界壁厚方向被腐蝕的晶界 變化情況如圖變化情況如圖35

30、1 54(b)所示。經(jīng)固溶化所示。經(jīng)固溶化 熱處理的奧氏體不銹鋼熱處理的奧氏體不銹鋼 的金相特征是晶界很細(xì)的金相特征是晶界很細(xì) 微，幾乎找不到晶界上微，幾乎找不到晶界上 的析出（相，而晶粒內(nèi)的析出（相，而晶粒內(nèi) 也幾乎找不到沉淀析出也幾乎找不到沉淀析出 相，比較光潔相，比較光潔見圖見圖 35153(a)。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 在圖在圖(a)中被腐蝕的晶中被腐蝕的晶 間上布滿了腐蝕物。間上布滿了腐蝕物。 越接近表面，晶界的越接近表面，晶界的 腐蝕物越多，晶界顯腐蝕物越多，晶界顯 得越粗。深度愈深時(shí)得越粗。深度愈深時(shí) 晶界逐步變細(xì)，直到晶界

31、逐步變細(xì)，直到 晶界情況正常處便可晶界情況正常處便可 顯示和測(cè)得被晶間腐顯示和測(cè)得被晶間腐 蝕的深度。發(fā)生晶間蝕的深度。發(fā)生晶間 腐蝕后的剖面金相如腐蝕后的剖面金相如 圖圖35155所示。所示。 51 晶間腐蝕失效晶間腐蝕失效 5.1 晶間腐蝕晶間腐蝕 金屬材料的應(yīng)力腐蝕是在材質(zhì)、介質(zhì)和應(yīng)力(主 要是拉應(yīng)力)三個(gè)因素的共同作用和耦合下才會(huì)發(fā) 生。應(yīng)力腐蝕的表現(xiàn)形態(tài)主要是形成不斷擴(kuò)展的 裂紋，這是一種在應(yīng)力作用下的局部腐蝕。 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 521 應(yīng)力腐蝕裂紋的形貌特征 (1)宏觀形貌 用肉眼或借助放大鏡觀察這類裂紋，發(fā)現(xiàn) 應(yīng)力腐蝕裂紋宏觀上具有多源、分叉、宏觀 總體走向與最大主應(yīng)力

32、基本相垂直等三大特 征。 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 521 應(yīng)力腐蝕裂紋的形貌特征 (1)宏觀形貌 用肉眼或借助放大鏡觀察這類裂紋，發(fā)現(xiàn) 應(yīng)力腐蝕裂紋宏觀上具有多源、分叉、宏觀 總體走向與最大主應(yīng)力基本相垂直等三大特 征。 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 521 應(yīng)力腐蝕裂紋的形貌特征 (2)顯微形貌 用金相顯微鏡或掃描電鏡觀察時(shí)，可以發(fā) 現(xiàn)腐蝕擴(kuò)展的途徑(路徑)有穿晶擴(kuò)展，沿晶擴(kuò) 展和混合型(即既有穿晶同時(shí)又有沿晶擴(kuò)展)三 種類型。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 521 應(yīng)力腐蝕裂紋的形貌特征 (2

33、)顯微形貌 當(dāng)應(yīng)力腐蝕的裂紋中被某 些膜狀腐蝕物覆蓋時(shí)，則 在掃描電鏡中往往顯示為 泥狀花樣的斷口。這是斷 口上覆蓋的脆性膜狀腐蝕 物發(fā)生龜裂后的特殊形貌。 泥狀花樣無法說明裂紋的 擴(kuò)展途徑 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 521 應(yīng)力腐蝕裂紋的形貌特征 (2)顯微形貌 5.2 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 52，2 奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕 奧氏體不銹鋼在許多介質(zhì)中有耐均勻腐蝕 的能力，但易發(fā)生孔蝕。 奧氏體不銹鋼經(jīng)過敏化溫度(450850)加熱(包 括焊接區(qū))，過飽和的碳形成碳化物沉淀并在緩 冷過程中易形成晶界貧鉻的，晶界的耐蝕性下 降，晶界的負(fù)電位更低，容易形成沿晶的應(yīng)力 腐蝕。低碳超低碳的奧氏體不銹鋼或不

34、經(jīng)敏化 溫度熱加工的，則不易形成沿 晶的應(yīng)力腐蝕，但易形成穿晶應(yīng)力腐蝕。特別 是經(jīng)過冷作加工的更易形成穿晶應(yīng)力腐蝕。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 防止或減緩?qiáng)W氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的基本途徑 采用低碳與超低碳不銹鋼,減緩沿晶應(yīng)力 腐蝕開裂及擴(kuò)展，但不能消除應(yīng)力腐蝕開裂的 敏感全部沿晶型應(yīng)力腐蝕 盡量避免敏化溫度下的加熱與冷卻。 盡量作消除殘余應(yīng)力處理。消除應(yīng)力的熱處 理應(yīng)避開敏化溫度。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 防止或減緩?qiáng)W氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的基本途徑 目前新發(fā)展的不銹鋼品種，大體有以下三種類 型。 高純Cr-Ni不銹鋼 即鎳的含量達(dá)45以上， 并

35、嚴(yán)格控制P、N、Mo雜質(zhì)含量。 超純鐵素體不銹鋼 0Crl3等鋼種不同 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼 00Crl8Ni5M03Si2 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 523 堿脆 當(dāng)堿濃度大于5一15時(shí)才可能出現(xiàn)堿脆， 濃度達(dá)到30時(shí)最為敏感。設(shè)備中容易發(fā)生 NaOH富集濃縮的地方尤易出現(xiàn)堿脆。產(chǎn)生 堿脆的最低溫度為6065C，溫度愈高愈易 發(fā)生，在沸點(diǎn)附近最容易發(fā)生堿脆。鎮(zhèn)靜鋼 比半鎮(zhèn)靜鋼更比沸騰鋼容易發(fā)生堿脆。鋼中 的含碳量對(duì)堿脆有影響。含碳量在020 一025以上的不會(huì)發(fā)生堿脆。因此含碳 量低于020的低碳鋼和低合金鋼較敏感。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 堿脆裂紋經(jīng)常是沿晶裂紋。只有含碳量低于 00

36、3時(shí)晶界碳化物偏析明顯減少，于是堿 脆裂紋大多數(shù)變?yōu)榇┚偷摹?堿脆裂紋的特 點(diǎn)是裂紋數(shù)目較多 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 堿脆 可以對(duì)堿脆起到抑制作用緩蝕劑有硅酸鹽、 硝酸鹽、硫酸鹽、鉻酸鹽及高錳酸鹽 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2.4硝脆 硝脆離不開水分的存在。20世紀(jì)90年代，我 國(guó)各煉油廠相繼投用的催化裂化裝量中的催化 劑再生器內(nèi)壁出現(xiàn)了裂紋，共已發(fā)生十余 起這種失效，有時(shí)甚至導(dǎo)致2034mm厚的 16MnR亮體發(fā)生裂穿而泄漏。分析研究認(rèn)為是 由于再生器內(nèi)韻高溫氣體透過內(nèi)隔熱材料遇到 較冷的殼壁而產(chǎn)生部分成分的冷凝，冷凝液中 含有N03及H20。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 硝脆 5.2

37、 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 525無水液氨的應(yīng)力腐蝕 (1)腐蝕機(jī)理 含水量低于02的液氨可屬為無水液氨 (2)預(yù)防措施 鋼的強(qiáng)度高低直接影響抗液氨應(yīng)力腐蝕的性 能。 如果采用強(qiáng)度較低的鐵素體鋼制造，而且焊后 進(jìn)行了消除應(yīng)力熱處理，則應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)性 最小。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 526 溫硫化氫的應(yīng)力腐蝕和氫損傷 濕硫化氫環(huán)境中鋼材開裂實(shí)際上有兩種開裂現(xiàn) 象。一種是應(yīng)力誘導(dǎo)的氫致開裂(SOHIC)，也是 應(yīng)力腐蝕；另一種是與應(yīng)力無關(guān)的氫鼓泡(HB) 和氫致開裂(HIC)。 (1)濕硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕開裂 大量的研究表明濕硫化氫的應(yīng)力腐蝕機(jī)理可 以有若干種表達(dá)的電化學(xué)陽

38、極反應(yīng)方程。 (氫原 子析出進(jìn)入鋼的基體)強(qiáng)度較高的鋼材中析 出較多氫原子引起鋼材的脆化。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕 5.3 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 5.3.1 特征 （1）裂紋起源腐蝕凹坑或缺陷：焊波、引弧坑、 表面焊跡等)，也易在結(jié)構(gòu)有應(yīng)力集 裂紋經(jīng)常從多個(gè)腐蝕凹坑發(fā)源成群出現(xiàn)， 相互平行地向內(nèi)部擴(kuò)展。 裂紋多數(shù)為穿晶擴(kuò)展 裂紋尖端不分叉或分叉很少，與應(yīng)力腐蝕 裂紋不同，但腐蝕疲勞的裂紋尖端圓鈍得多， 這是和一般疲勞裂紋尖端很重要的區(qū)別。 5.3 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 5.3.1 特征 裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物和應(yīng)力腐蝕裂紋相似， 而非腐蝕環(huán)境中的疲勞

39、裂紋內(nèi)部則比較光潔。 532 腐蝕疲勞斷口形貌特征 斷口具有貝殼狀條紋的宏觀形貌 斷口在電鏡中觀察時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)通常塑 性材料疲勞斷口中所具有的海灘狀花樣 5.3 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 5.4 氫氫腐蝕失效腐蝕失效 事故大體由以下三種原因造成。 在高于鋼材所能承受氫腐蝕的溫度上限 錯(cuò)誤地使用了抗氫腐蝕能力極低的碳素鋼 用其代替Cr-Mo鋼將導(dǎo)致氫腐蝕的重大事故 制造過程留下缺陷，如焊縫內(nèi)的氣孔 5.4 氫氫腐蝕失效腐蝕失效 1)宏觀特征 當(dāng)氫腐蝕僅使表層鋼材損傷時(shí)可能出現(xiàn) 脫碳后的甲烷鼓泡，甚至鼓泡破裂。 (2)、金相特征 氫腐蝕是脫碳反應(yīng)所致，并出現(xiàn)甲烷 氣泡，因此在金相上的主要特征是脫碳 和出現(xiàn)空洞。脫碳是失去珠光體的表現(xiàn) (3)斷口特征 氫腐蝕是沿晶斷裂的 5.4 氫氫腐蝕失效腐蝕失效 5.5 腐蝕失效破壞形式腐蝕失效破壞形式 551 均勻腐蝕失效破壞形式 各種各樣的均勻腐蝕會(huì)使設(shè)備或管道的有效 壁厚發(fā)生全面的或大面積的減薄，致使設(shè)備的 承載能力大幅