选材及失效分析幻灯片.ppt

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1、选材及失效分析第1页，共50页，编辑于2022年，星期三n13.1.1 失效形式n13.1.2 失效原因n13.1.3 失效分析13.1 13.1 零部件的失效零部件的失效第2页，共50页，编辑于2022年，星期三失效分析的重要性失效分析的重要性n零件失效是不可避免的。任何一个零件，都有其设计寿命。但有些零件可能会因各种原因，其运行寿命远远低于设计寿命就发生早期失效，从而带来严重安全隐患，甚至酿成重大事故 1943年美国T-2油轮断裂第3页，共50页，编辑于2022年，星期三u失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等变化而失去预定功能的现象。u正常失效：零件在达到或超过设

2、计的预期 寿命后 发生的失效。u非正常失效：在低于设计预期寿命时发生的失效。u突发性失效：例如:桥梁倒塌、油轮断裂等 失效的概念失效的概念第4页，共50页，编辑于2022年，星期三n零件常见的失效形式有变形失效、断裂失效和表面损伤失效及材料老化失效等。n（1 1）变形失效）变形失效n指零件变形量超过允许范围而造成的失效，主要有弹性变形失效和塑性变形失效。13.1.1 失效的形式失效的形式第5页，共50页，编辑于2022年，星期三n（2 2）断裂失效）断裂失效n零件失效的主要形式，也是最严重的失效形式，它是因零件承载过大或因疲劳损伤等发生破断。n韧性断裂失效n材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或

3、所吸收的能量较大的断裂。第6页，共50页，编辑于2022年，星期三n脆性断裂失效n材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小（2%5%）的断裂。a、疲劳断裂失效 零部件在变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下发生的突然脆断。b、低应力脆性断裂失效 石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明塑性变形的突然断裂。第7页，共50页，编辑于2022年，星期三 （3 3）表面损伤失效）表面损伤失效 由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙造成的失效。（4 4）材料老化失效）材料老化失效 高

4、分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变黏等现象，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的现象。第8页，共50页，编辑于2022年，星期三n（1）设计不合理设计不合理 n（2）选材错误选材错误n（3）加工工艺不当加工工艺不当n（4）装配使用不当装配使用不当13.1.2 13.1.2 失效的原因失效的原因第9页，共50页，编辑于2022年，星期三13.1.3 13.1.3 失效分析失效分析n1.失效分析的一般程序失效分析的一般程序n（1）收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点

5、分析的部位。观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。n（2）调查零部件的服役条件和失效过程。调查零部件的服役条件和失效过程。n（3）查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。工、安装、使用维护等方面的资料。第10页，共50页，编辑于2022年，星期三n（4）实验研究实验研究n材料成分分析及宏观与微观组织分析；n宏观和微观的断口分析；n力学性能分析；n零部件手里及环境条件分析；n模拟实验。n（5）综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出改进措施，写出分析报告。改进措

6、施，写出分析报告。第11页，共50页，编辑于2022年，星期三2.失效分析实例失效分析实例n（1）锅炉给水泵轴的断裂分析n 某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉及水泵，在试车过程中只运行了1400多小时便先后发生断轴事故，严重地影响了工厂的正常试车和投产。第12页，共50页，编辑于2022年，星期三n泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。右图为泵轴的断口照片。第13页，共50页，编辑于2022年，星期三 成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45%），达到0.48%。泵轴的心部组

7、织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显得的深车刀痕，泵轴正是沿着刀痕之一整齐地发生脆性断裂。断口上存在着明显的疲劳休止线，最终韧性断裂区为较小的椭圆形区域，并且偏心。断口边缘存在许多撕裂台阶，为多源断裂。第14页，共50页，编辑于2022年，星期三n结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴的断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。根据这一分析结论，国外厂商对化肥厂进行了赔付。第15页，共50页，编辑于2022年，星期三n（2）气化炉氧管线内壁裂纹分析 某

8、化肥厂进口装置气化炉的氧管线因多次泄漏影响生产而换下。将氧管剖开后，发现其内壁存在大量破裂，氧管内通有314、105atm的饱和蒸汽和150、100atm纯氧的混合气体。这 些裂纹的存在会严重威胁人 身生命和装置的安全。第16页，共50页，编辑于2022年，星期三n 氧管材质为进口TP321钢（1Cr19Ni11Ti），外径为114.3mm，壁厚为8.56mm。其成分符合ASTM标准，组织正常，无明显塑性变形。显微观察发现，裂纹起源于内壁并穿晶向外壁扩展，裂纹分支很多，尖端尖锐且存在腐蚀产物，其在径向上的形态为枯树枝状（如下图），这些都是应力腐蚀裂纹的典型特征。应力腐蚀严重部位裂纹的径向长度已

9、超过6mm，即壁厚的70%。第17页，共50页，编辑于2022年，星期三 氧管所受应力来自于内压。经计算，管内壁轴向拉应力达63MPa。腐蚀来自于饱和蒸汽中的氯离子。尽管蒸汽用水中氯离子浓度不超过110 ，但314的饱和蒸汽遇到150纯氧后会部分凝结于管壁，并在管壁缺陷（如腐蚀坑）处使氯离子浓缩。结论：氧管内壁损伤是应力腐蚀开裂，开裂原因是选材不当。-6第18页，共50页，编辑于2022年，星期三13.2.1 选材的基本原则13.2.2 典型零部件选材及工艺分析13.2.3 典型设备及装置选材13.2 13.2 零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择第19页，共50页，编辑于2022年，星期

10、三 13.2.1 选材的基本原则使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。经济性：是指材料加工成零件，它的生产和使用总 成本最低。总成本包括材料本身的价格、加工费、试验研究费、维修管理费等费用，有时甚至还要包括运费和安装费用。第20页，共50页，编辑于2022年，星期三 选材的一般步骤及注意事项 n从材料的使用性能、工艺性能和经济性三个方面进行综合分析，在满足使用性能要求的前提下，考虑工艺性能和经济性。第21页，共50页，编辑于2022年，星期三 根据使用性能原则选材的步骤如下：（1）分析零件的工作条件（2）分析零件的失效形式（3）将对零件的使用性能指标要

11、求转化为对材料 性能指标的要求（4）材料预选（了解常用材料的主要特性）第22页，共50页，编辑于2022年，星期三工艺性能原则：材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能概括如下：（1）金属材料的工艺性能 金属材料的加工工艺路线复杂，要求的工艺性能比较多，如铸造性能、锻造性能、切削加工性能、焊接性能、热处理工艺性能等。第23页，共50页，编辑于2022年，星期三（2）高分子材料的工艺性能 高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。（3）陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为：陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形。备料

12、成形加工（配料、压制、烧结）磨加工 装配第24页，共50页，编辑于2022年，星期三 根据经济性原则选材时注意：材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本，减少运输、实验研究费用。如选用一般碳钢和铸铁能满足要求，就不应选用合金钢。在满足使用要求的条件下，可以以铁代钢、以铸代锻、以焊代锻，有效地降低材料成本，简化加工工艺。第25页，共50页，编辑于2022年，星期三13.2.2 典型零件、工具的选材与热处理工艺 1.齿轮类零件的选材（1）齿轮类零件的工作条件、主要失效形式及对性能的要求 齿轮在传动时，由于与其他齿轮等零件接触，齿轮表面承受着强烈的摩擦和接触疲劳应

13、力，轮齿根部承受着较大的弯曲疲劳应力。齿轮的主要失效形式为：断齿、齿面摩擦和接触疲劳破坏。齿轮的性能要求为：具有高弯曲疲劳强度、高耐磨性和接触疲劳强度，轮齿心部要有足够的强度和韧性。第26页，共50页，编辑于2022年，星期三（2）典型齿轮的选材机床齿轮 机床齿轮的选材是依其工作条件（圆周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的，一般用中碳钢（例如45钢），对于性能要求较高的齿轮可选中碳合金钢（例如40Cr等）。工艺路线为：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工高频淬火+低温回火装配。第27页，共50页，编辑于2022年，星期三汽车、拖拉机齿轮 与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受

14、冲击频繁，因而对性能的要求较高。常用合金渗碳钢（如20CrMnTi、0CrMnMo、20MnVB等）。工艺路线为：备料锻造正火机械加工渗碳淬火+低温回火喷丸磨削装配。汽车齿轮 拖拉机齿轮第28页，共50页，编辑于2022年，星期三2.2.轴类零部件的选材轴类零部件的选材 轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要以支承传动零件并传递运动和动力。（1）轴的工作条件、主要失效形式及对轴用材料的性能要求轴的工作条件 a、传递扭矩，承受交变扭转载荷作用 b、轴颈承受较强的摩擦作用 c、承受一定的过载或冲击载荷第29页，共50页，编辑于2022年，星期三轴的失效形式 a、疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯曲

15、疲劳载荷的长期作 用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。b、断裂失效 受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。c、磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。第30页，共50页，编辑于2022年，星期三轴的性能要求a、高的疲劳强度；b、良好的综合力学性能；c、良好的耐磨性；特殊工况下：如高温下工作的轴，要求抗蠕变性能好；腐蚀介质中工作的轴，要求耐腐蚀性能好。第31页，共50页，编辑于2022年，星期三（2 2）典型轴的选材 对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定机床主轴第32页，共50页，编辑于2022年，星期三 该主轴承受交变扭转和弯曲载荷，但载荷和转速不高

16、，冲击载荷也不大，轴颈和锥孔处有摩擦。按上述分析，C620车床主轴可选用4545钢钢，经调质处理后，硬度为220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为4654HRC。第33页，共50页，编辑于2022年，星期三工艺路线：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工表面淬火+低温回火磨削装配汽轮机主轴 汽轮机主轴尺寸大，工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。汽轮机主轴的主要失效方式是蠕变变形和自白点、夹杂、焊接裂纹等缺陷引起的低应力脆断、疲劳断裂或应力腐蚀开裂。对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。第3

17、4页，共50页，编辑于2022年，星期三工艺路线：备料锻造第一次正火去氢处理第二次正火高温回火机械加工成品内燃机曲轴 曲轴是内燃机的脊梁骨，工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。按内燃机的转速不同可选用不同的材料：低速内燃机曲轴选用正火态的第35页，共50页，编辑于2022年，星期三45钢或球墨铸铁；中速的选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr）或球墨铸铁；高速的选用强度级别再高一些的合金钢（例如42CrMo）。工艺路线：选用中碳钢或中碳合金钢时：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工轴颈表面淬火+低温回火磨削装配。选用球墨铸铁时：备料熔炼铸造正火高温回火机械加工轴颈

18、表面淬火+低温回火装配。第36页，共50页，编辑于2022年，星期三3.3.汽轮机叶片的选材汽轮机叶片的选材 叶片是汽轮机的关键部件，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。（1）叶片的工作条件、失效方式及性能要求 叶片的工作条件：a.受蒸汽或燃气弯矩的作用；b.承受中，高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀或高燃气的氧化和腐蚀；c.受湿蒸汽中的水滴或燃气中的杂质；d.气流作用的频率与叶片自振频率相当时产生的第37页，共50页，编辑于2022年，星期三共振力的作用。叶片的失效形式：蠕动变形、断裂（包括振动疲劳断 裂、应力腐蚀开裂、蠕变疲劳断裂及热疲劳开裂）和表面损伤（包括氧化、电化学腐

19、蚀和磨损）。对叶片的性能要求：a.高的室温和高温强度、塑性及韧性，以防蠕变变形和 疲劳断裂 b.高的化学稳定性，以防止氧化、腐蚀及应力腐蚀开裂 c.导热性好，热膨胀系数小，防止热疲劳破坏第38页，共50页，编辑于2022年，星期三 d.耐磨性好，以防冲刷磨损和机械磨损 e.减振性好，以防共振疲劳破坏 f.良好的冷、热加工性能，以利于叶片成型，提高 生产效率（2）叶片的选材及热处理 叶片的选材主要取决于工作温度。对于中、低压汽轮机，叶片工作温度不高（500），失效主要方式不是蠕动，而是共振疲劳和应力腐蚀开裂，因此结构设计上除避免共振外，还要选减震性能第39页，共50页，编辑于2022年，星期三好

20、的12Cr13和20Cr13马氏体不锈钢。对于工作于过热蒸汽中的前级叶片，虽温度较高（450475），但腐蚀不明显，可采用低合金钢20CrMo进行氮化、镀硬铬或堆焊硬质合金。汽轮机后级叶片的工艺路线：备料模锻退火机械加工调质热整形去应力退火机械加工叶片根 镀硬铬 抛光 磁粉探伤 成品 对于高压汽轮机，叶片工作温度高于500，主要以蠕变破坏方式失效，可选07Cr19Ni11Ti。温度低于600 可选用：马氏体耐热钢15Cr12WMoV和18Cr12WMoVNbB第40页，共50页，编辑于2022年，星期三 对于燃气轮机叶片，因工作温度更高，主要失效形式为蠕变和热疲劳破坏。当温度低于650 时，可

21、选用奥氏体耐热钢12Cr17Ni13W、10Cr14Ni18W2NbBCe；当温度在700至750 时，选用06Cr14Ni40W4Mo2Ti3Al2BZr或铁基高温合金；当温度高于750 时，可选用镍基耐热合金Ni80Cr20或镍基高温合金第41页，共50页，编辑于2022年，星期三1.泵的选材 泵是用来输送液体或液气、液固两相介质的一种流体机械（1）泵的选材应考虑的因素被输送介质的腐蚀性；被输送介质的温度；泵的工作压力；被输送介质中固体颗粒的磨蚀作用；各零部件材料的膨胀系数及相互咬合性能；材料的价格及是否易获得。13.2.3 典型设备及装置选材第42页，共50页，编辑于2022年，星期三（

22、2）动力式泵主要零部件的选材 叶轮 一般用铸铁，有时用铸钢、青铜、铝合金、玻璃钢、15Cr和12Cr18Ni9等。泵壳 泵壳是承压零部件，在2.53.0MPa下一般用铸铁，高于此压力用铸钢。泵轴 一般使用碳钢，当需要较高强度时，使用高强度合金钢。叶轮圆周速度（ms）材料 35 铸铁 45 青铜 65 铸钢 70 130 不锈钢叶轮材料的选取第43页，共50页，编辑于2022年，星期三2.化工机械的选材 化工机械是现代化工生产必不可少的设备，是化工生产正常进行和发展的保证。化工机械输送和分离的介质不同，工作条件不同，从而材料选择的特点也不同。化学反应釜 化工机械 第44页，共50页，编辑于202

23、2年，星期三化工机械的选材应注意以下几个方面：全面考虑机器的用途、结构型式、工作特点、介质性质，材料的使用性能、工艺性能和经济合理性等；所选材料的化学成分、金相组织、力学性能、物理性能、热处理和焊接方法应符合有关标准；输送和分离易燃易爆、有毒及强化学腐蚀介质的设备时，选材应尤其慎重，应严格执行有关标准；化工机械及附属压力容器所用材料与匹配的焊接材料应遵照有关标准、规定执行。第45页，共50页，编辑于2022年，星期三3.炼油厂临氢装置的选材 炼油厂加氢装置的加氢反应器、反应产物换热器及相应管线的工作介质是高温高压氢，氢腐蚀是其失效的主要形式。氢气在常温下对碳钢无明显腐蚀，但在温度高于200、压

24、力高于300atm时，氢对钢的作用明显，使钢的强度、塑性下降。氢腐蚀反应如下：FeC+2H 3Fe+CH当生成的甲烷气体无法外逸时，便在钢内的缺陷和夹杂处聚集，产生的局部压力可高达几千大气压以上，因此氢腐蚀不仅使钢表面和内部脱碳，还易产生局部裂纹和表面鼓泡。第46页，共50页，编辑于2022年，星期三 随温度升高，氢分压增加，氢腐蚀孕育期缩短，腐蚀速率提高。每一种在氢气中使用的钢，温度和氢分压都有一定的极限值。用于高温高压氢系统的钢材，要能经受得住氢的腐蚀。如图Nelson曲线。图中曲线表明了钢发生氢腐蚀的温度、压力条件，同时还能看出普通的碳钢在适当的低温高压或高温低压的含氢流体中使用仍然满足

25、条件。第47页，共50页，编辑于2022年，星期三4.造船材料的选择 造船工业是一个复杂的综合性工业，采用的材料品种多，数量大。对造船材料的基本要求：具有足够的强度和一定的塑性；良好的工艺性能，尤其是冷弯性能和焊接性能；较好的耐蚀性，以防止潮湿空气、海水及所装载物质被腐蚀；合适的使用性能，如无毒、阻燃、绝缘、隔热、隔音、隐身、消振等；良好的经济性，如成本低，质量好，供应充足等。第48页，共50页，编辑于2022年，星期三（1）船体用结构钢 船体结构钢具有较高的综合力学性能，如良好的塑性、可焊性及耐海水腐蚀性。其一般分为一般强度刚和高强度钢。一般钢分为A、B、D、E 4个质量等级，高强度钢分为3个强度级别、4个质量等级：A32、D32、E32、F32，A36、D36、E36、F36，A40、D40、E40、F40。船体用结构钢的交货状态应符合GB712-2000的规定。用于船体结构的钢材，除专用钢外，碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢及铸钢等也用于船舶构件。第49页，共50页，编辑于2022年，星期三（2）船用铝合金 铝合金由于其高的比强度、良好的耐蚀性和低温性能以及没有磁性等特点，已成为重要的造船材料之一。第50页，共50页，编辑于2022年，星期三