金属构件失效分析

金属构件失效分析王凤芹第一章概述第二章失效分析基础知识第三章金属构件常见失效形式及其判断第四章失效分析的思路、程序和基本技能第五章失效分析实例1概述1.1金属构件的失效及失效分析1、失效金属装备及其构件在使用过程中，由于压力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用，丧失其规定功能的现象。例子：1979年9月7日，中国某电化厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使10t液氯外溢扩散，波及范围7．25km2，致使59人死亡，779人中毒，当时统计的直接经济损失达63万元。1984年12月3日凌晨，在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司所属的—家化工厂，由于安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量毒气，造成375人死亡，2000人重伤。该市50万居民中有20万受到毒气的侵害，其中2万人需要住院治疗。有关方面要求美国公司赔偿150亿美元的损失费。2、失效分析对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。3、失效分析目的通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，采取改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义。从技术上和经济上都没有必要要求金属装备永不失效，失效分析的目的不在于造出具有无限使用寿命的装备，而是确保装备在给定的寿命期限内不发生早期失效，或只需要更换易损构件，或把装备的失效限制在预先规定的范围之内，希望对失效的过程进行监测、预警，以便采取紧急措施，避免机毁人亡的灾难。1.2失效分析的意义1、促进科学技术的发展失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到失效的原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而且能更进一步完善装备构件的功能，并促进与之相关的各项工作的改进。失效、认识(失效分析)、提高、再失效、再认识、再提高，由此促进了科学技术的发展。2、提高装备及其构件的质量从设计、材料、制造等各方面进行改进，便可提高装备及其构件的质量。3、具有高经济效益和社会效益1.3金属构件的失效形式及失效原因金属构件的失效形式及失效原因是密切相关的，失效形式是构件失效过程的表观特征，是可以观察的。而失效原因是导致构件失效的物理化学机制，是需要通过失效过程调查研究及对失效件的宏观、微观分析去诊断、发现和论证的。1、失效形式弹性变形失效当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现弹性变形失效。塑性变形失效当受裁荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现塑性变形失效。韧性断裂失效构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂失效。脆性断裂失效构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。疲劳断裂失效构件在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。腐蚀失效腐蚀是材料表面与服投环境发生物理或化学的反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀，局部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。磨损失效当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理和化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，称为磨损。由磨损而导致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损有多种形式，其中常见粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。2、引起失效的原因•设计不合理其中结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区，未能恰当设计引起的失效比较常见。总之，设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当、安全系数过小(追求轻巧和高速度)及配合不合适等都会导致构件及装备失效。构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理。分析设计原因引起失效尤其要注意：对复杂构件未作可靠的应力计算；或对构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小未作考虑；甚至于对工作载荷确定和应力分析准确的构件来说，如果只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视了脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效，都会在设计上造成严重的错误。•选材不当及材料缺陷金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。使用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够的抵抗失效的能力。如对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂，应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。•制造工艺不合理金属装备及其构件往往要经过机加工(车、铣、刨、磨、钻等)、冷热成形(冲、压、卷、弯等)、焊接、装配等制造工艺过程。若工艺规范制订欠合理，则金属设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。如机加工常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；冷热成形的表面凹凸不平、不直度、不圆度和裂纹；在焊接时可能产生的焊缝表面缺陷(咬边、焊缝凹陷、焊缝过高)、焊接裂纹、焊缝内部缺陷(未焊透、气孔、夹渣)，焊接的热影响区更因在焊接过程经受的温度不同，使其发生组织转变不同，有可能产生组织脆化和裂纹等缺陷；组装的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的内应力等。所有这些缺陷如超过限度则会导致构件以及装备早期失效。•使用操作不当和维修不当使用操作不当是金属装备失效的重要原因之一，如违章操作，超载、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为。某时期统计260次压力容器和锅炉事故中，操作事故194次，占74.5％。装备是要进行定期维修和保养的，如对装备的检查、检修和更换不及时或没有采取适当的修理、防护措施，也会引起装备早期失效。1.4失效分析与其他学科的关系1.5失效分析的历史发展状况一般把失效分析的发展历史分为三个阶段，即失效分析的初级阶段、近代失效分析阶段及现代失效分析阶段。第一次世界工业革命前是失效分析的初级阶段，失效分析受到真正重视是从以蒸汽动力和大机器生产为代表的世界工业革命开始，此为失效分析的第二阶段，此阶段一直延至20世纪50年代末，又称为近代失效分析阶段。20世纪50年代以后，随着电子行业的兴起，微观观测仪器的出现，特别是分辨率高、放大倍率大、景深长的透射及扫描电子显微镜的问世，使失效分析扩大了视野，洞穿失效的微观机制，随后大量现代物理测试技术的应用，失效分析现处在第三阶段的历史发展时期，这是现代失效分析阶段。1.6失效分析工作者的主要任务和应具备的基本素质1、主要任务①深入装备失效现场、广泛收集、调查失效信息，寻找失效构件及相关实物证据。②对失效构件进行全面深入的宏观分析，通过种类认定推理，初步确定失效件的失效类型。③对失效件及其相关证物展开必要的微观分析、理化检验，进一步查找失效的原因。④通过归纳、演绎、类比、假设、选择性推理，建立整个失效过程及其失效原因之间的联系，进行综合性分析。⑤在可能的情况下，对重大的失效事件进行模拟试验，验证因果分析的正确性。2、应具备的基本素质鉴于失效分析的重要性、复杂性和特殊性，失效分析人员应在实践中逐步完善，并应具备以下基本素质。①彻底的求实精神和严谨的工作态度，在任何情况下都要坚持实事求是，认真负责，勇于坚持真理，修正错误。②敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于利用一切手段(包括先进的仪器、设备)取得失效的信息和证据。③正确的失效分析思路和对失效分析形式、失效原因有良好的判断能力，要有“医生的思路，侦探的技巧”。④善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向一切可能共事的人们学习。⑤要有扎实的专业基础知识和较宽广的知识面，工作能力要强，办事效率要高。2失效分析基础知识2.1金属构件中可能引起失效的常见缺陷1、铸态金属组织缺陷铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、气泡和白点等。(1)缩孔与疏松金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状(或喇叭状)或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积，与液态金属的温度、冷却条件以及铸锭的大小等有关。液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积就越大，金属冷凝后的缩孔也就越大。如在急剧冷却的条件下浇注金属，可以避免在铸锭上部形成集中缩孔。但在此情况下，液态金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经“消除”了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但如由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。图2-2(b)所示为2crl3钢热轧后退火仍有黑色小点显示的中心疏松。此外，如原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种:①在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。此外，在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。②钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小。③金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。（2）偏析金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。①晶内偏析与晶间偏析由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。②区域偏析在浇注铸锭(或铸件)时，由于通过铸型壁强烈的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。结果就必然导致外层区域富集高熔点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。③比重偏析在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学成分的不均匀现象，称为比重偏析。晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。(3)气泡与白点金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中由于溶解度随温度的降低而急剧地减小，致使气体从液态金属中释放出来。若此时金属已完全凝固，则剩下的气体不易逸出有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔，这种气孔称为气泡。气泡的有害影响表现如下：①气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料的强度。②当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。③在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏析，导致裂缝。在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断面上会发现表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点。白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。此外，白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系，横截面的直径或厚度小于30mm的钢材不易产生白点。通常，具