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)時可以觀察到的主要特時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)展一個交變便使裂紋向前擴(kuò)展一個a的微量

2、，這在的微量，這在斷口上就留下一個微小裂紋前緣發(fā)生過塑性變斷口上就留下一個微小裂紋前緣發(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體類鋼的輝紋往往很不清晰，這反

3、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。有時甚至只在局部微區(qū)的斷口細(xì)觀形貌的差別。有時甚至只在局部微區(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)時又有切向位移而留下的壓痕。硬質(zhì)點(diǎn)在每次循環(huán)時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)展是基于裂尖的塑性變形，屬于韌性的擴(kuò)展，因形，屬于韌性的

4、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)入另一個晶粒時晶界而進(jìn)入另一個晶粒時同樣也會以穿晶方式擴(kuò)展，同樣也會以穿晶方式擴(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)展過程中一般會受到晶粒結(jié)晶方位的取向、晶界及晶中一般會受到晶粒結(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

5、條帶)不一定處在一個完整的平不一定處在一個完整的平面上。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)展臺面之間不可避免地會出現(xiàn)臺階，這種臺階展臺面之間不可避免地會出現(xiàn)臺階，這種臺階稱之為疲勞斑片。在疲勞擴(kuò)展過程中有時還會稱之為疲勞斑片。在疲勞擴(kuò)展過程中有時還會形成形成“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有時的小裂紋，在掃描電鏡中觀察疲勞斷口時有時會觀察到這種斑片和臺階。會觀察到這種斑片和臺階。一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 進(jìn)行疲勞斷口鑒別時尋找疲勞

6、輝紋進(jìn)行疲勞斷口鑒別時尋找疲勞輝紋(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，同時應(yīng)注重疲勞斷口宏觀特征分鏡觀察，同時應(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

7、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造成每次交變循環(huán)的擴(kuò)展量變大或變明顯變化時造成每次交變循環(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有較明顯的區(qū)別?？捎^察到的疲勞輝紋的密度會有較明顯的區(qū)別?？梢哉f只有在變載荷時才會形成宏觀上的貝殼紋。以說只有在變載荷時才會形成宏觀上的貝殼紋。一、化工機(jī)械的失效形

8、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得的間距大體可以計(jì)算出因此可以從輝紋間測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，有時放大到上萬倍時才可看到，也速率極低，有時放大到上萬倍時才可看到，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)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。

9、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，對力愈高則應(yīng)力集中處的應(yīng)力峰值也隨之愈高，對疲勞失效自然不利。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)時不要過于追求較曲線設(shè)計(jì)時不要過于追求較高的應(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

10、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)時應(yīng)在結(jié)構(gòu)尺寸有突變之處，如軸頸及臺構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)在結(jié)構(gòu)尺寸有突變之處，如軸頸及臺階處，盡量設(shè)計(jì)有較大過渡圓弧的圓角。制造時階處，盡量設(shè)計(jì)有較大過渡圓弧的圓角。制造時特別對高周疲勞的構(gòu)件必須注意表面加工的光潔特別對高周疲勞的構(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

11、萌生之處。材料的內(nèi)在質(zhì)量如冶金時的夾渣、粗大的之處。材料的內(nèi)在質(zhì)量如冶金時的夾渣、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)量優(yōu)良的原材料。應(yīng)采用質(zhì)量優(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)度級別不高而塑性韌性較好的鋼，具有較好的抗強(qiáng)度級別不高而塑性韌性較好的鋼，

12、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(壓力或溫度的交變壓力或溫度的交變)可能會可能會導(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)

13、的規(guī)范進(jìn)行疲勞分析。其具體規(guī)定應(yīng)參見美國定應(yīng)參見美國ASME的鍋爐壓力容器規(guī)范第的鍋爐壓力容器規(guī)范第卷第卷第二冊或我國壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范二冊或我國壓力容器分析設(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)，還必須同時注意結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，既要有最佳還必須同時注意結(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

14、制造時力求方便的低的應(yīng)力集中系數(shù)，又要制造時力求方便(詳詳見本手冊上卷第見本手冊上卷第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。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

15、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。即使氣孔也會降低疲勞壽命。制造時必須作過細(xì)陷。即使氣孔也會降低疲勞壽命。制造時必須作過細(xì)而嚴(yán)格的無損檢測。為確保無損檢測可靠性，一般不而嚴(yán)格的無損檢測。為確保無損檢測可靠性，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)改為對接焊縫，這既可保證焊接質(zhì)量，也便于進(jìn)行無損檢測。既可保證焊接質(zhì)量，也便于進(jìn)

16、行無損檢測。一、化工機(jī)械的失效形式一、化工機(jī)械的失效形式 對在役的受交變載荷作用的壓力容器，無論其是對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)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，其目的是檢查是否出現(xiàn)裂紋。種適宜的無損檢測，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

17、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 對承受交變載荷的構(gòu)件表面對承受交變載荷的構(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)行時零部件表面所承受的應(yīng)力就會明顯下降，運(yùn)行時零部件表面所承受的應(yīng)力就會明顯下降，同時將增加疲勞周次，也即提高了疲勞壽命。同時將增加疲勞周次，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 對承受交變載荷的構(gòu)件、且已發(fā)現(xiàn)有疲勞開裂時，可以采對承受交變載荷的構(gòu)件、且已發(fā)現(xiàn)有疲勞開裂時，可以采

18、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，所有國內(nèi)外的試驗(yàn)均已證實(shí)這可以將疲勞處理，所有國內(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)?，在作過載處理時裂尖將產(chǎn)生一個壽命提高好幾倍。因?yàn)?，在作過載處理時裂尖將產(chǎn)生一個比正常受載時更大的塑性區(qū)，卸載后將受到比正常受載荷比正常受載時更大的塑性區(qū)，卸載后將受到比正常受載荷卸載時更大的壓縮虛力。一次超載后重又回復(fù)到正常加載，卸載時更大的壓縮虛力。一次超載后重又回復(fù)到正常加載，此時裂尖塑性區(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

19、大降低了裂紋擴(kuò)展推動力，致使擴(kuò)展速率減得多，從而大大降低了裂紋擴(kuò)展推動力，致使擴(kuò)展速率減慢，壽命可得到延長。只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到裂尖塑性區(qū)慢，壽命可得到延長。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形成的大塑性的邊緣達(dá)到或稍微超過超載時形成的大塑性區(qū)的邊緣時，超載的影響才會消失，恢復(fù)到超載前應(yīng)有擴(kuò)區(qū)的邊緣時，超載的影響才會消失，恢復(fù)到超載前應(yīng)有擴(kuò)展速率。但此時壽命已得到數(shù)倍的延長。這就是過載峰的展速率。但此時壽命已得到數(shù)倍的延長。這就是過載峰的延長壽命作用。延長壽命作用。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

20、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壽命，故直后經(jīng)實(shí)踐證明超載可以明顯的延長壽命，故直到現(xiàn)在已成為航空部門對飛機(jī)必須進(jìn)行超載處到現(xiàn)在已成為航空部門對飛機(jī)必須進(jìn)行超載處理的規(guī)定。理的規(guī)定。 對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有小的疲勞裂紋的容器進(jìn)行超載對于已經(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)，同樣證明，可以數(shù)以倍計(jì)地增長壽命。同樣證明，可以數(shù)以倍計(jì)地增長壽命。超載只是使裂尖塑性區(qū)變大，不會使構(gòu)件的其超載只是使裂尖塑性區(qū)變大，不會使構(gòu)件的其他部位產(chǎn)生屈服和材料硬化，所以對其他部位他部位產(chǎn)生屈服和材料硬化，所以對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)

21、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)可詳見本手冊上卷第詳見本手冊上卷第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

22、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)對晶界區(qū)的腐蝕速度大大超過晶粒蝕。當(dāng)腐蝕介質(zhì)對晶界區(qū)的腐蝕速度大大超過晶粒被腐蝕的速度時，則顯現(xiàn)出晶間腐蝕。被腐蝕的速度時，則顯現(xiàn)出晶間腐蝕。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 對晶間腐蝕問題的認(rèn)識是隨著奧氏體不銹鋼的廣泛對晶間腐蝕問題的認(rèn)識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

23、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

24、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)?，母材部分在軋制成板材出廠之前已進(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Cr23C6)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

25、和狀態(tài)的碳及碳化物，則有足夠的時間在夠的時間在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，同時含有更能快速形成碳化物用含碳量很低的焊條焊絲，同時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，

26、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添加鈦元素，使碳更優(yōu)先過去主要依靠冶金時添加鈦元素，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。這就是過去習(xí)慣使用的機(jī)會。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

27、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

28、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 的敏化溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻時，的敏化溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻時，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)表示兩個晶粒之間的晶表示兩個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

29、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)過一段時間之后，沿經(jīng)過一段時間之后，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35154(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

30、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。深度愈深時得越粗。深度愈深時晶界逐步變細(xì)，直到晶界逐步變細(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得被晶間腐顯示和測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)三個因素的共同作用和耦合下才會發(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

31、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，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(即既有穿晶同時又有沿晶擴(kuò)展)三種類型。 5.2 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕

32、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)顯微形貌當(dāng)應(yīng)力腐蝕的裂紋中被某些膜狀腐蝕物覆蓋時，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

33、，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

34、 即鎳的含量達(dá)45以上，并嚴(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時才可能出現(xiàn)堿脆，濃度達(dá)到30時最為敏感。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。鋼中的含碳量對堿脆有影響。含碳量在020一025以上的不會發(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003

35、時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 應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕5.2 應(yīng)力

36、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

37、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

38、斷口在電鏡中觀察時，會發(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