《材料失效機(jī)理與失效預(yù)防》課程試卷(失效分析實(shí)例)

1、材料失效機(jī)理與失效預(yù)防課程試卷華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2010年1月姓名：學(xué)號(hào)：成績(jī)：說(shuō)明：試從下面給出的三個(gè)案例素材中，選擇12個(gè)結(jié)合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容分析該案例的失效原因與預(yù)防措施。并以分析的案例簡(jiǎn)述：1、失效機(jī)理與失效預(yù)防的意義2、材料失效的機(jī)理與表現(xiàn)形式3、你對(duì)失效分析的認(rèn)識(shí)（本課程給你的啟發(fā)、你對(duì)本課程的意見）案例1軸承內(nèi)圈開裂原因分析1.背景材料軸承鋼材料要求具有高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的耐磨性、高的彈性極限、適宜的硬度一定的沖擊韌性、良好的尺寸穩(wěn)定性和良好的工藝性能等，常用的軸承鋼材料有GCr6、GCr15、GCr9、GCr9SiMn、GCrSiWV、SUS304和SUS4400等，

2、不同的鋼種在不同的方面具有特殊的作用，以滿足不同的工況條件。某一煉油廠大型設(shè)備上所使用的軸承套圈發(fā)生開裂,宏觀形貌如圖1,軸承套圈壁厚約28mm。該軸承內(nèi)圈在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)開裂，從開裂的軸承內(nèi)圈可見裂紋沿縱向發(fā)展并且較直，裂紋已經(jīng)穿透該軸承套圈壁厚,在其外壁可見環(huán)狀顏色較暗的氧化區(qū)域,黑色氧化區(qū)域帶寬約26mm,同時(shí)在外壁可見許多大小不一、深淺不均的剝落凹坑,最深的凹坑深度約為10.5mm。2.檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果圖1開裂軸承套圈宏觀形貌化學(xué)成分分析 在開裂軸承內(nèi)圈上取樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。表1化學(xué)成分分析結(jié)果項(xiàng)目CSiMnPSCrrMo實(shí)測(cè)值0.950.290.680.0080.0041

3、.780.28斷口分析通過(guò)對(duì)開裂軸承套圈裂紋附近用放大鏡仔細(xì)觀察，可見斷口分為剝落區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)，斷口上裂紋從凹坑底部向軸承套圈表面呈河流花樣擴(kuò)展。在開裂軸承套圈裂紋源處取斷口試樣，圖2為裂紋源處斷口試樣宏觀照片，人為打開斷口，圖3為打開后的斷口宏觀形貌，斷口上可見較多的棕色泥漿狀污垢。將圖3中的裂紋源處放大，得到如圖4的裂紋源處低倍形貌，即在離開表面一定深度的次表面；圖5中可見剝落區(qū)斷口上明顯的貝殼紋特征；圖6為斷口上的河流花樣；高倍下觀察裂紋最后快速區(qū)上以解理特征為主，見圖7。圖2斷口打開前宏觀照片圖4裂紋源低倍照片圖3斷口打開后宏觀形貌圖5貝殼紋特征圖6斷口上的河流花樣圖7解理特征金相檢

4、驗(yàn)分別在裂紋源處截取縱向、橫向金相試樣，編為1和2，在遠(yuǎn)離斷口的正常部位截取縱向、橫向金相試樣，編為3和4，在表面環(huán)狀顏色較暗處取金相試樣，編為5，經(jīng)鑲嵌、磨拋及化學(xué)試劑侵蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察，并按GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)試樣中的非金屬夾雜物、顯微組織、碳化物不均勻性（碳化物網(wǎng)狀、碳化物帶狀、碳化物液析）等項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果見表2和表3。表2縱向試樣檢驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)項(xiàng)目1#3#非金屬夾雜物A1.0、BO、CO、D0.5A1.0、BO、CO、D0.5碳化物帶狀1級(jí)1級(jí)碳化物液析未見液析未見液析表3橫向試樣檢驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)項(xiàng)目2#4#5#顯微組織回火馬氏體+粒狀碳化物，見圖8；2#試粒狀

5、碳化物，:樣斷口處組織亦為回火馬氏體+見圖9碳化物網(wǎng)狀2級(jí)，見圖101級(jí)1級(jí)靠近表面組織馬氏體，見圖11回火馬氏體+粒狀碳化物表面存在剝落坑及裂紋，表層組織為馬氏體，過(guò)渡層為屈氏體+粒狀碳化物，見圖12圖8試樣組織圖92斷口處組織圖125試樣表面二次淬火組織硬度測(cè)試2.4.1洛氏硬度測(cè)試在軸承內(nèi)圈的正常部位基體處取樣，經(jīng)磨床磨光后將試樣置于洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果為60.0HRC、60.0HRC和60.5HRC。2.4.2硬度梯度測(cè)試取表面氧化處的金相試樣(5#)磨拋后置于FM700顯微維氏硬度計(jì)上，使用9.807N載荷從表面開始進(jìn)行硬度梯度的測(cè)試，測(cè)試位置見圖12，測(cè)試結(jié)果見表4。

6、表4硬度梯度測(cè)試結(jié)果離開表面距離，mmHV1.0相當(dāng)于HRC0.06070260.20.26072761.20.46071860.90.66074461.90.86080364.11.06081964.51.26079163.61.46080564.11.66080164.01.86079263.72.06044945.22.26044644.92.46048047.62.66051149.82.86054351.93.06057153.63.26061656.13.46063156.83.66063256.93.86065357.94.06065858.24.26066958.74.4606

7、8059.24.66068959.64.86069059.65.06069159.7通過(guò)對(duì)表面氧化處試樣的硬度梯度測(cè)試，可見該試樣表面處硬度最高，在深度約2.06mm處硬度最低，然后隨著深度的增加硬度慢慢升高，至4.46mm處硬度基本上和基體硬度一致。案例2循環(huán)乙烷裂解爐爐管失效分析1.背景發(fā)生失效的設(shè)備為循環(huán)乙烷裂解爐爐管，其材質(zhì)為35Cr45Ni+NbMA高鎳鉻奧氏體耐熱鋼。爐管采用離心鑄造方式制造，爐管內(nèi)徑120mm,外徑141.6mm,長(zhǎng)9865mm,壁厚10.8mm。生產(chǎn)操作工藝條件為管內(nèi)壓力為200kPa,管外-35kPa。管內(nèi)最高溫度850C,管外最高溫度1100C。管內(nèi)介質(zhì)為乙

8、烷及其裂解氣，管外介質(zhì)為燃料氣燃燒產(chǎn)生的煙氣，介質(zhì)流量為9981Kg/h。失效的兩程爐管中，一程為2007年2月更換使用至今。另一程為2008年2月更換爐管使用至今。兩程爐管之間彎頭自2005年更換使用至2009年3月事故發(fā)生。2.檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果宏觀形貌觀察：對(duì)失效的爐管與彎管進(jìn)行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，兩程爐管均有明顯的軸向裂紋，裂紋為穿透性裂紋，無(wú)可見塑性變形，而壁裂口有金屬光澤，爐管內(nèi)部存在很厚的結(jié)焦層，達(dá)到29.28mm。斷口表明潔凈且相當(dāng)粗糙。圖1為爐管的斷口形貌。連接兩程直爐管的彎頭為180度急彎彎頭，直管和彎頭以焊接形式連接，其中減薄部位位于彎管入口和出口的肩部，入口肩部減薄相對(duì)突出。如圖2

9、所示，其中箭頭所指部位為減薄的部位。圖1直管段斷口形貌圖2彎頭剖面形貌形貌微觀形貌觀察取爐管斷口試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖3-4所示。圖中顯示，裂紋為沿晶斷裂，斷口呈準(zhǔn)解理特征。以企業(yè)爐管技術(shù)協(xié)議的數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在距離爐管內(nèi)壁4mm處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。表1爐管化學(xué)成分(wt%)項(xiàng)目CSPMoNbTiNiCr實(shí)測(cè)0.490.00710.0260.0050.990.00743.5735.44標(biāo)準(zhǔn)成分0.4/0.50.030.030.500.8/1.50.05/0.243/4733/37金相檢驗(yàn)在失效爐管內(nèi)壁取試樣，拋光后的形貌如圖5所示。圖5顯示爐管試樣的組織為枝晶狀形貌，

10、晶間未形成明顯的碳化物。圖5爐管拋光形貌力學(xué)性能測(cè)試分別對(duì)失效的爐管和同批新爐管制取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，以了解服役前后爐管力學(xué)性能的變化情況。1）沖擊試驗(yàn)沖擊結(jié)果如表3所示。表2沖擊試驗(yàn)結(jié)果樣品編號(hào)缺口尺寸缺口面積（mm2）沖擊功akv（J）寬度（mm）高度（mm）110.058.4889.0411.729.867.7776.618.639.767.8076.133.549.677.8275.623.3注：其中沖擊缺口部位：1為新管朝外表面開V口、2為新管朝環(huán)向開V口、3為舊管朝外表面開V口、4為舊管朝環(huán)向開V口2）拉伸試驗(yàn)表3拉伸試驗(yàn)結(jié)果試樣編號(hào)J1J2J3J4X5X6X7X8標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度

11、/MPa449.26450.78466.21465.29518.06516.48520.6514.752440延伸率/%3.22.333.333.5313.9313.6713.1312.6三5注：標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)提供的爐管技術(shù)條件要求；J編號(hào)為舊管、X編號(hào)為新管。拉伸試件殘樣形態(tài)為新舊管均無(wú)頸縮現(xiàn)象，無(wú)明顯屈服點(diǎn)。案例3航煤脫硫醇反應(yīng)器導(dǎo)壓管開裂失效分析1背景：某煉油裝置的航煤脫硫醇反應(yīng)器在投入使用后6個(gè)月，發(fā)現(xiàn)與反應(yīng)器進(jìn)料管相連的導(dǎo)壓管（承插焊焊縫附近）出現(xiàn)介質(zhì)泄漏現(xiàn)象。表面著色檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)壓管外壁有穿透裂紋存在。該進(jìn)料導(dǎo)壓管操作參數(shù)如下：操作壓力：2.8MPa；操作溫度：240C；管內(nèi)介質(zhì)：航空煤

12、油；管子材料：0Cr18Ni9Ti2檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果材料的成分分析與硬度檢驗(yàn)表1-1導(dǎo)壓管母材化學(xué)成分分析CMnSiPSCrNiTi實(shí)測(cè)值0.050.510.590.0090.00818.3310.000.36表1-2導(dǎo)壓管焊縫化學(xué)成分分析CMnSiPSCrNiTi實(shí)測(cè)值0.040.530.520.0080.00719.1210.090.33表2導(dǎo)壓管母材與焊縫顯微硬度值測(cè)試部位硬度值（HB）母材171174173172171175焊縫195198196197199195熱影響區(qū)182185181182190191裂紋宏觀形貌對(duì)失效部件取樣檢查發(fā)現(xiàn)：（1）導(dǎo)壓管的內(nèi)外壁表面無(wú)任何明顯腐蝕情況；（2）內(nèi)表面主裂紋有二條，一條為環(huán)向裂紋，另一條裂紋與管子軸向成近45方向開裂，且裂紋擴(kuò)展呈直線狀，無(wú)任何分枝、分叉小裂紋（圖1）；（3）外表面裂紋形貌與內(nèi)表面裂紋相同，且裂紋產(chǎn)生部位靠近焊縫熔合區(qū)（圖2）。 從橫向截面和縱向截織。由近裂紋部位的焊縫及母材金相組織照片（圖【少量的灰色條狀為鐵素體脆性相析出。組織含有較多的碳化物和少量的鐵素此外觀察裂紋形貌可無(wú)分叉二次裂紋（圖4）。I0.Imhuiiini外壁焊縫100X母材中部200X裂紋形貌以及材料的 #圖3導(dǎo)壓管材料的金相組織 裂紋斷口裂紋宏觀斷口將管子的環(huán)向裂紋打開后