選材及失效分析

選材及失效分析第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月13.1.1

失效形式13.1.2

失效原因13.1.3失效分析13.1零部件的失效第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月失效分析的重要性零件失效是不可避免的。任何一個零件，都有其設(shè)計壽命。但有些零件可能會因各種原因，其運(yùn)行壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命就發(fā)生早期失效，從而帶來嚴(yán)重安全隱患，甚至釀成重大事故1943年美國T-2油輪斷裂第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月失效是指零部件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能等變化而失去預(yù)定功能的現(xiàn)象。正常失效：零件在達(dá)到或超過設(shè)計的預(yù)期壽命后發(fā)生的失效。非正常失效：在低于設(shè)計預(yù)期壽命時發(fā)生的失效。突發(fā)性失效：例如:橋梁倒塌、油輪斷裂等

失效的概念第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月零件常見的失效形式有變形失效、斷裂失效和表面損傷失效及材料老化失效等。（1）變形失效指零件變形量超過允許范圍而造成的失效，主要有彈性變形失效和塑性變形失效。13.1.1失效的形式第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）斷裂失效零件失效的主要形式，也是最嚴(yán)重的失效形式，它是因零件承載過大或因疲勞損傷等發(fā)生破斷。①韌性斷裂失效材料在斷裂之前所發(fā)生的宏觀塑性變形或所吸收的能量較大的斷裂。第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月②脆性斷裂失效材料在斷裂之前沒有塑性變形或塑性變形很?。ǎ?%~5%）的斷裂。a、疲勞斷裂失效零部件在變應(yīng)力作用下，在比屈服應(yīng)力低很多的應(yīng)力下發(fā)生的突然脆斷。b、低應(yīng)力脆性斷裂失效

石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力作用下，由于材料自身固有的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的無明塑性變形的突然斷裂。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）表面損傷失效由于磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的形狀、尺寸和表面粗糙造成的失效。

（4）材料老化失效高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變黏等現(xiàn)象，從而失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱為高分子材料的老化。

老化是高分子材料不可避免的現(xiàn)象。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）設(shè)計不合理

（2）選材錯誤（3）加工工藝不當(dāng)（4）裝配使用不當(dāng)13.1.2失效的原因第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月13.1.3失效分析1.失效分析的一般程序（1）收集失效零部件的殘骸，進(jìn)行宏觀外形與尺寸的觀察和測量，拍照留據(jù)，確定重點(diǎn)分析的部位。（2）調(diào)查零部件的服役條件和失效過程。（3）查閱失效零部件的有關(guān)資料，包括零部件的設(shè)計、加工、安裝、使用維護(hù)等方面的資料。第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）實(shí)驗(yàn)研究①材料成分分析及宏觀與微觀組織分析；②宏觀和微觀的斷口分析；③力學(xué)性能分析；④零部件手里及環(huán)境條件分析；⑤模擬實(shí)驗(yàn)。（5）綜合各方面的分析資料，最終確定失效原因，提出改進(jìn)措施，寫出分析報告。第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.失效分析實(shí)例（1）鍋爐給水泵軸的斷裂分析某大型化肥廠從國外引進(jìn)的兩臺離心式鍋爐及水泵，在試車過程中只運(yùn)行了1400多小時便先后發(fā)生斷軸事故，嚴(yán)重地影響了工廠的正常試車和投產(chǎn)。第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月泵軸的材質(zhì)相當(dāng)于我國的42CrMo鋼，外徑為90mm，斷裂部位為平衡鼓附近的軸節(jié)處，該處最小直徑為74mm。在試車期間，給水泵曾頻繁開停車。右圖為泵軸的斷口照片。第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月成分分析表明，泵軸材料的含碳量高于標(biāo)準(zhǔn)的上限（0.45%），達(dá)到0.48%。泵軸的心部組織為魏氏組織，表面為粗大晶粒的回火索氏體組織。顯然，泵軸材料為不合格材料。泵軸表面機(jī)械加工粗糙，斷口部位有四條明顯得的深車刀痕，泵軸正是沿著刀痕之一整齊地發(fā)生脆性斷裂。斷口上存在著明顯的疲勞休止線，最終韌性斷裂區(qū)為較小的橢圓形區(qū)域，并且偏心。斷口邊緣存在許多撕裂臺階，為多源斷裂。第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：泵軸的斷裂為低載荷高應(yīng)力集中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。深的車刀痕是高應(yīng)力集中源，也是引起泵軸的斷裂的主要原因。泵軸材料是成分和熱處理組織不合格材料。根據(jù)這一分析結(jié)論，國外廠商對化肥廠進(jìn)行了賠付。第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）氣化爐氧管線內(nèi)壁裂紋分析某化肥廠進(jìn)口裝置氣化爐的氧管線因多次泄漏影響生產(chǎn)而換下。將氧管剖開后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁存在大量破裂，氧管內(nèi)通有314℃、105atm的飽和蒸汽和150℃、

100atm純氧的混合氣體。這

些裂紋的存在會嚴(yán)重威脅人

身生命和裝置的安全。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月氧管材質(zhì)為進(jìn)口TP321鋼（1Cr19Ni11Ti），外徑為114.3mm，壁厚為8.56mm。其成分符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)，組織正常，無明顯塑性變形。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于內(nèi)壁并穿晶向外壁擴(kuò)展，裂紋分支很多，尖端尖銳且存在腐蝕產(chǎn)物，其在徑向上的形態(tài)為枯樹枝狀（如下圖），這些都是應(yīng)力腐蝕裂紋的典型特征。應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重部位裂紋的徑向長度已超過6mm，即壁厚的70%。第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

氧管所受應(yīng)力來自于內(nèi)壓。經(jīng)計算，管內(nèi)壁軸向拉應(yīng)力達(dá)63MPa。腐蝕來自于飽和蒸汽中的氯離子。盡管蒸汽用水中氯離子濃度不超過1×10，但314℃的飽和蒸汽遇到150℃純氧后會部分凝結(jié)于管壁，并在管壁缺陷（如腐蝕坑）處使氯離子濃縮。

結(jié)論：

氧管內(nèi)壁損傷是應(yīng)力腐蝕開裂，開裂原因是選材不當(dāng)。-6第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2.1選材的基本原則13.2.2典型零部件選材及工藝分析13.2.3典型設(shè)備及裝置選材13.2零件設(shè)計中的材料選擇第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.2.1選材的基本原則使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。經(jīng)濟(jì)性：是指材料加工成零件，它的生產(chǎn)和使用總成本最低?？偝杀景ú牧媳旧淼膬r格、加工費(fèi)、試驗(yàn)研究費(fèi)、維修管理費(fèi)等費(fèi)用，有時甚至還要包括運(yùn)費(fèi)和安裝費(fèi)用。第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月選材的一般步驟及注意事項

從材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性三個方面進(jìn)行綜合分析，在滿足使用性能要求的前提下，考慮工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)使用性能原則選材的步驟如下：

（1）分析零件的工作條件（2）分析零件的失效形式（3）將對零件的使用性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為對材料性能指標(biāo)的要求（4）材料預(yù)選（了解常用材料的主要特性）第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝性能原則：

材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能概括如下：（1）金屬材料的工藝性能金屬材料的加工工藝路線復(fù)雜，要求的工藝性能比較多，如鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能、焊接性能、熱處理工藝性能等。

第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）高分子材料的工藝性能高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。（3）陶瓷材料的工藝性能

陶瓷材料的加工工藝路線為：

陶瓷材料的加工工藝也比較簡單，主要工藝是成形。備料成形加工（配料、壓制、燒結(jié)）磨加工裝配第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則選材時注意：

材料選用應(yīng)充分利用資源優(yōu)勢，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的材料，以降低原材料成本，減少運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用。如選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求，就不應(yīng)選用合金鋼。在滿足使用要求的條件下，可以以鐵代鋼、以鑄代鍛、以焊代鍛，有效地降低材料成本，簡化加工工藝。第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2.2典型零件、工具的選材與熱處理工藝1.齒輪類零件的選材（1）齒輪類零件的工作條件、主要失效形式及對性能的要求齒輪在傳動時，由于與其他齒輪等零件接觸，齒輪表面承受著強(qiáng)烈的摩擦和接觸疲勞應(yīng)力，輪齒根部承受著較大的彎曲疲勞應(yīng)力。齒輪的主要失效形式為：斷齒、齒面摩擦和接觸疲勞破壞。齒輪的性能要求為：具有高彎曲疲勞強(qiáng)度、高耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。

第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）典型齒輪的選材①機(jī)床齒輪

機(jī)床齒輪的選材是依其工作條件（圓周速度、載荷性質(zhì)與大小、精度要求等）而定的，一般用中碳鋼（例如45鋼），對于性能要求較高的齒輪可選中碳合金鋼（例如40Cr等）。工藝路線為：

備料→鍛造→正火→粗機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→精機(jī)械加工→高頻淬火+低溫回火→裝配。第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月②汽車、拖拉機(jī)齒輪與機(jī)床齒輪比較，汽車、拖拉機(jī)齒輪工作時受力較大，受沖擊頻繁，因而對性能的要求較高。常用合金滲碳鋼（如20CrMnTi、0CrMnMo、20MnVB等）。工藝路線為：備料→鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火+低溫回火→噴丸→磨削→裝配。汽車齒輪拖拉機(jī)齒輪第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.軸類零部件的選材軸是機(jī)械工業(yè)中最基礎(chǔ)的零部件之一，主要以支承傳動零件并傳遞運(yùn)動和動力。（1）軸的工作條件、主要失效形式及對軸用材料的性能要求①軸的工作條件a、傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用b、軸頸承受較強(qiáng)的摩擦作用c、承受一定的過載或沖擊載荷第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月②軸的失效形式

a、疲勞斷裂由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。b、斷裂失效受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。c、磨損失效軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月③軸的性能要求a、高的疲勞強(qiáng)度；b、良好的綜合力學(xué)性能；c、良好的耐磨性；特殊工況下：如高溫下工作的軸，要求抗蠕變性能好；腐蝕介質(zhì)中工作的軸，要求耐腐蝕性能好。第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）典型軸的選材對軸類零部件進(jìn)行選材時，應(yīng)根據(jù)工作條件和技術(shù)要求來決定①機(jī)床主軸第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月該主軸承受交變扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，但載荷和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷也不大，軸頸和錐孔處有摩擦。按上述分析，C620車床主軸可選用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為220～250HB，軸頸和錐孔需進(jìn)行表面淬火，硬度為46～54HRC。第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝路線：備料→鍛造→正火→粗機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→精機(jī)械加工→表面淬火+低溫回火→磨削→裝配②汽輪機(jī)主軸

汽輪機(jī)主軸尺寸大，工作負(fù)荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。汽輪機(jī)主軸的主要失效方式是蠕變變形和自白點(diǎn)、夾雜、焊接裂紋等缺陷引起的低應(yīng)力脆斷、疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕開裂。對汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝路線：備料→鍛造→第一次正火→去氫處理→第二次正火→高溫回火→機(jī)械加工→成品③內(nèi)燃機(jī)曲軸曲軸是內(nèi)燃機(jī)的脊梁骨，工作時受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動和沖擊力的作用。按內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不同可選用不同的材料：低速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用正火態(tài)的第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月45鋼或球墨鑄鐵；中速的選用調(diào)質(zhì)態(tài)的45鋼、調(diào)質(zhì)態(tài)的中碳合金鋼（例如40Cr）或球墨鑄鐵；高速的選用強(qiáng)度級別再高一些的合金鋼（例如42CrMo）。工藝路線：選用中碳鋼或中碳合金鋼時：備料→鍛造→正火→粗機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→精機(jī)械加工→軸頸表面淬火+低溫回火→磨削→裝配。選用球墨鑄鐵時：備料→熔煉→鑄造→正火→高溫回火→機(jī)械加工→軸頸表面淬火+低溫回火→裝配。第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.汽輪機(jī)葉片的選材

葉片是汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件，它直接起著將蒸汽或燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的作用。（1）葉片的工作條件、失效方式及性能要求①葉片的工作條件：

a.受蒸汽或燃?xì)鈴澗氐淖饔茫?/p>

b.承受中，高壓過熱蒸汽的沖刷或濕蒸汽的電化學(xué)腐蝕或高燃?xì)獾难趸透g；c.受濕蒸汽中的水滴或燃?xì)庵械碾s質(zhì)；d.氣流作用的頻率與葉片自振頻率相當(dāng)時產(chǎn)生的第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月共振力的作用。②葉片的失效形式：蠕動變形、斷裂（包括振動疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂、蠕變疲勞斷裂及熱疲勞開裂）和表面損傷（包括氧化、電化學(xué)腐蝕和磨損）。③對葉片的性能要求：a.高的室溫和高溫強(qiáng)度、塑性及韌性，以防蠕變變形和疲勞斷裂b.高的化學(xué)穩(wěn)定性，以防止氧化、腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂

c.導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，防止熱疲勞破壞第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月d.耐磨性好，以防沖刷磨損和機(jī)械磨損

e.減振性好，以防共振疲勞破壞

f.良好的冷、熱加工性能，以利于葉片成型，提高生產(chǎn)效率（2）葉片的選材及熱處理

葉片的選材主要取決于工作溫度。對于中、低壓汽輪機(jī)，葉片工作溫度不高（＜500℃），失效主要方式不是蠕動，而是共振疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計上除避免共振外，還要選減震性能第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月好的12Cr13和20Cr13馬氏體不銹鋼。對于工作于過熱蒸汽中的前級葉片，雖溫度較高（450～475℃），但腐蝕不明顯，可采用低合金鋼20CrMo進(jìn)行氮化、鍍硬鉻或堆焊硬質(zhì)合金。汽輪機(jī)后級葉片的工藝路線：

備料→模鍛→退火→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→熱整形→去應(yīng)力退火→機(jī)械加工葉片根→鍍硬鉻→拋光→磁粉探傷→成品

對于高壓汽輪機(jī)，葉片工作溫度高于500℃，主要以蠕變破壞方式失效，可選07Cr19Ni11Ti。溫度低于600℃可選用：馬氏體耐熱鋼15Cr12WMoV和18Cr12WMoVNbB第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月對于燃?xì)廨啓C(jī)葉片，因工作溫度更高，主要失效形式為蠕變和熱疲勞破壞。當(dāng)溫度低于650℃時，可選用奧氏體耐熱鋼12Cr17Ni13W、10Cr14Ni18W2NbBCe；當(dāng)溫度在700至750℃時，選用06Cr14Ni40W4Mo2Ti3Al2BZr或鐵基高溫合金；當(dāng)溫度高于750℃時，可選用鎳基耐熱合金Ni80Cr20或鎳基高溫合金第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.泵的選材泵是用來輸送液體或液氣、液固兩相介質(zhì)的一種流體機(jī)械（1）泵的選材應(yīng)考慮的因素①被輸送介質(zhì)的腐蝕性；②被輸送介質(zhì)的溫度；③泵的工作壓力；④被輸送介質(zhì)中固體顆粒的磨蝕作用；⑤各零部件材料的膨脹系數(shù)及相互咬合性能；⑥材料的價格及是否易獲得。13.2.3典型設(shè)備及裝置選材第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）動力式泵主要零部件的選材

葉輪一般用鑄鐵，有時用鑄鋼、青銅、鋁合金、玻璃鋼、15Cr和12Cr18Ni9等。

泵殼泵殼是承壓零部件，在2.5～3.0MPa下一般用鑄鐵，高于此壓力用鑄鋼。

泵軸一般使用碳鋼，當(dāng)需要較高強(qiáng)度時，使用高強(qiáng)度合金鋼。葉輪圓周速度／（m／s）

材料

35鑄鐵

45青銅

65鑄鋼

70～130不銹鋼葉輪材料的選取第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.化工機(jī)械的選材化工機(jī)械是現(xiàn)代化工生產(chǎn)必不可少的設(shè)備，是化工生產(chǎn)正常進(jìn)行和發(fā)展的保證?；C(jī)械輸送和分離的介質(zhì)不同，工作條件不同，從而材料選擇的特點(diǎn)也不同。

化學(xué)反應(yīng)釜化工機(jī)械

第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月化工機(jī)械的選材應(yīng)注意以下幾個方面：①全面考慮機(jī)器的用途、結(jié)構(gòu)型式、工作特點(diǎn)、介質(zhì)性質(zhì)，材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)合理性等；②所選材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能、物理性能、熱處理和焊接方法應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；③輸送和分離易燃易爆、有毒及強(qiáng)化學(xué)腐蝕介質(zhì)的設(shè)備時，選材應(yīng)尤其慎重，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；④化工機(jī)械及附屬壓力容器所用材料與匹配的焊接材料應(yīng)遵照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定執(zhí)行。第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.煉油廠臨氫裝置的選材煉油廠加氫裝置的加氫反應(yīng)器、反應(yīng)產(chǎn)物換熱器及相應(yīng)管線的工作介質(zhì)是高溫高壓氫，氫腐蝕是其失效的主要形式。氫氣在常溫下對碳鋼無明顯腐蝕，但在溫度高于200℃、壓力高于300atm時，氫對鋼的作用明顯，使鋼的強(qiáng)度、塑性下降。氫腐蝕反應(yīng)如下：

Fe?C+2H?

→3Fe+CH?當(dāng)生成的甲烷