零件失效分析2-失效分析基础知识

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1、第第2章章 失效分析基础知识失效分析基础知识 零件失效形式与来源零件失效形式与来源 应力集中与零件失效应力集中与零件失效 残余应力与零件失效残余应力与零件失效 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计 应力分析与失效分析应力分析与失效分析 金属构件中可能引起失效的常见缺陷金属构件中可能引起失效的常见缺陷2.1 机械机械零件失效的形式与来源零件失效的形式与来源 机械零件失效形式机械零件失效形式(1) 按照失效的形态分类按照失效的形态分类过量变形过量变形断裂断裂表面损伤表面损伤a.过量变形过量变形扭曲：花键扭曲：花键高低温下的蠕变高低温下的蠕变拉长：紧固件拉长：紧固件弹性元件发生永久变形弹性元件发

2、生永久变形b.断裂断裂一次加载断裂一次加载断裂磨损磨损环境介质引起的断裂环境介质引起的断裂疲劳断裂疲劳断裂c.表面损伤表面损伤腐蚀腐蚀重点重点 机械零件失效形式机械零件失效形式(2) 根据失效的诱发因素分类根据失效的诱发因素分类机械力引起的失效机械力引起的失效热应力引起的失效热应力引起的失效摩擦力引起的失效摩擦力引起的失效活性介质引起的失效活性介质引起的失效(3) 根据产品的使用过程分类根据产品的使用过程分类早期失效早期失效偶然失效偶然失效损耗失效损耗失效 机械零件失效形式机械零件失效形式(4) 从经济法的观点对失效分类从经济法的观点对失效分类产品缺陷失效产品缺陷失效误用失效误用失效受用性失效

3、受用性失效损耗失效损耗失效 在进行失效分析时，应将在进行失效分析时，应将失效的模式失效的模式、失效的失效的诱发因素诱发因素及及失效后的表现形式失效后的表现形式综合考虑，对于获得综合考虑，对于获得正确的分析结果是至关重要的。正确的分析结果是至关重要的。 机械零件失效形式机械零件失效形式 起起 因因 （%）腐蚀腐蚀 29疲劳疲劳 25脆性断裂脆性断裂 16过载过载 11高温腐蚀高温腐蚀 7应力腐蚀应力腐蚀/腐蚀疲劳腐蚀疲劳/氢脆氢脆 6蠕变蠕变 3磨损、擦伤、冲刷磨损、擦伤、冲刷 3表表1 在一般工业工程中调查失效模式的比例在一般工业工程中调查失效模式的比例 起起 因因 （%）疲劳疲劳 61过载过

4、载 18应力腐蚀应力腐蚀 8过度磨损过度磨损 7腐蚀腐蚀 3高温氧化高温氧化 2应力破坏应力破坏 1表表2 航空零件失效模式的比例航空零件失效模式的比例常用零部件的工作条件、失效形式和性能指标常用零部件的工作条件、失效形式和性能指标齿面磨损：齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是磨损是开式传动的主要失效形式。开式传动的主要失效形式。以齿轮为例：以齿轮为例：齿面点蚀：齿面点蚀：轮齿工作面承受近似脉动轮齿工作面承受近似脉动的变应力作用，由于疲劳而

5、产生的麻的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤现象。点状剥蚀损伤现象。点蚀是闭式传动点蚀是闭式传动常见的失效形式。常见的失效形式。点蚀首先出现在节点蚀首先出现在节线附近。线附近。齿面胶合：齿面胶合：高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。塑性变形：塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。沿

6、摩擦力方向产生塑性变形。压力容器与管道典型失效案例压力容器与管道典型失效案例 西安西安“35”液化石油气站特大爆炸事故液化石油气站特大爆炸事故1998年年3月月5日，西安液化石油气站日，西安液化石油气站2个个400 m3球球罐发生特大爆炸事故。罐发生特大爆炸事故。事故过程为：下午事故过程为：下午4：40发现发现1号球罐下部排污管号球罐下部排污管道法兰泄漏，因缺乏先进的堵漏技术，泄漏持续道法兰泄漏，因缺乏先进的堵漏技术，泄漏持续约约3h，整个厂区充满了石油气，配电间电火花引整个厂区充满了石油气，配电间电火花引爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终物理

7、爆炸。物理爆炸。法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故性质确定为设备事故。性质确定为设备事故。氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备中较常见的失效模式。中较常见的失效模式。这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性能严重退化，事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、能严重退化，事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、加氢裂化等装置中，温度超过加氢裂化等装置中，温度超过260，氢的分压大于，氢的分压大于689kPa，就有可能发生氢分子在钢的表面分解为原子就

8、有可能发生氢分子在钢的表面分解为原子氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料，并与氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料，并与碳化物反应生成甲烷碳化物反应生成甲烷(Fe3C+4H3Fe+CH4)，由于甲由于甲烷的分子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界烷的分子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界面等处聚集产生局部高压，形成微裂纹，进而材料脆面等处聚集产生局部高压，形成微裂纹，进而材料脆化。化。 氢腐蚀氢腐蚀( (高温氢侵蚀高温氢侵蚀) )引起的蒸汽管道爆管事故引起的蒸汽管道爆管事故 硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道爆裂事故硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道爆裂事故四川天然气管道曾经发生

9、多起硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故，其中一起发生在爆裂事故，其中一起发生在1995年底，泄漏的天然气年底，泄漏的天然气引起了火灾。管道为引起了火灾。管道为7208.16 mm 螺旋焊管，压力螺旋焊管，压力1.92.5MPa。事故管段已经运行事故管段已经运行16年。爆口长度年。爆口长度1440mm，沿焊缝沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中含有中含有H2S及补焊工艺不合理，使焊缝产生了马氏体及补焊工

10、艺不合理，使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。组织和高的残余应力有关。 催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效 裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；多数穿透壁厚； 裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征；裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征； 腐蚀产物的水溶液腐蚀产物的水溶液PH值在值在56，呈现酸性；，呈现酸性； 断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中

11、的氮含量；中的氮含量； 结论是结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。引起的应力腐蚀开裂。 起起 因因 （%）材料选择不恰当材料选择不恰当 38装配错误装配错误 15错误的热处理错误的热处理 15机械设计错误机械设计错误 11未预见的操作条件未预见的操作条件 8环境控制不够充分环境控制不够充分 6不恰当的或缺少监测与质量控制不恰当的或缺少监测与质量控制 5材料混杂材料混杂 2表表3 在一般工业工程中调查的失效原因的比例在一般工业工程中调查的失效原因的比例 起起 因因 （%）保养不恰当保养不恰当 44安装错误安装错误 17设计缺陷设计缺陷 16不正确的维修损坏不正确的维修损坏 10材料缺陷材料缺陷 7