第8章 实际构件失效分析实例

1、第第8章章 实际构件失效分析实例实际构件失效分析实例 李春福李春福 西南石油大学材料科学与工程学院西南石油大学材料科学与工程学院 8.1 M5-36-11No.20.5风机轴断裂分析风机轴断裂分析 某厂某厂M5-36-11N0.20.5D风机在使用接近风机在使用接近7 年后，于年后，于1999年年8月中旬发现风机轴偏斜，月中旬发现风机轴偏斜， 轴径表面与风机罩发生摩擦。将该轴取下后轴径表面与风机罩发生摩擦。将该轴取下后 发现在叶轮端支撑轴承面台阶处发生开裂，发现在叶轮端支撑轴承面台阶处发生开裂， 表面裂纹宽度接近表面裂纹宽度接近2mm，叶轮附近的轴表面，叶轮附近的轴表面 磨损深度达磨损深度达5

2、mm。于。于1999年年10月月26日将该日将该 轴断开，确定对该轴的断裂原因进行分析。轴断开，确定对该轴的断裂原因进行分析。 8.1.1概况概况 M5-36-11No.20.5风机原设计的部分参数：风机原设计的部分参数： 设计功率：设计功率：710kW，电动机转速：，电动机转速：1480r/ min，飞轮力矩：，飞轮力矩：36.3Nm，叶轮质量：，叶轮质量： 788kg；主轴质量：；主轴质量：285kg，主轴材料：，主轴材料：45 钢，轴长度：钢，轴长度：1889.9mm；中心距：；中心距： 816.9mm，叶轮力臂长度：，叶轮力臂长度：575.9ram，临，临 界转速：界转速：2221r/

3、min；转速系数：；转速系数：1.5。 风机主轴结构与尺寸，如图风机主轴结构与尺寸，如图8-1所示。所示。 风机轴受力分析与计算如图风机轴受力分析与计算如图8-2所示。所示。 经力学计算校核的部分数据：经力学计算校核的部分数据： 危险截面应力：危险截面应力：16.64MPa；强度系数：；强度系数：3.3。 在设备安装时，经设计、使用、制造单位同意，在设备安装时，经设计、使用、制造单位同意， 将原设计的将原设计的19D改为改为20.5D，经计算：，经计算： 叶轮重量叶轮重量=8470N；危险截面计算扭矩；危险截面计算扭矩 Mn=4581Nm；危险截面应力；危险截面应力max=17.25 MPa。

4、 45钢许用应力钢许用应力n=55MPa，max 6。 断裂发生在自淤浆投料口到脱水块侧旋转一周断裂发生在自淤浆投料口到脱水块侧旋转一周 的叶片上，该叶片有的叶片上，该叶片有1/4圆周发生断裂。此处是圆锥圆周发生断裂。此处是圆锥 部大径侧对叶片负荷较大的部位。叶片断裂的总长部大径侧对叶片负荷较大的部位。叶片断裂的总长 度约度约400mm。叶片发生断裂后发生很大的扭曲变。叶片发生断裂后发生很大的扭曲变 形。形。 据现场了解，叶片断裂前曾发生多次阻转，淤据现场了解，叶片断裂前曾发生多次阻转，淤 浆的酸度超过要求，浆的酸度超过要求，pH值降至值降至3.4。 8.8.2 质量的常规检验质量的常规检验

5、1. 化学成分复验化学成分复验 由叶片上取样，对其用化学成分进行复由叶片上取样，对其用化学成分进行复 验，其结果为（质量分数，验，其结果为（质量分数，%）：）：0.04C， 0.69Si，0.8Mn，7.70Ni，17.98Cr， 0.005S，0.028P，由此可见，钢材的化学成，由此可见，钢材的化学成 分除含磷量稍偏高外，无明显差错。分除含磷量稍偏高外，无明显差错。 2. 力学性能复验力学性能复验 由叶片的不同部位取样，对钢材的力学性由叶片的不同部位取样，对钢材的力学性 能进行复验，其结果如表能进行复验，其结果如表8-12所示。所示。 表表8-12 钢材力学性能实测值钢材力学性能实测值 3

6、. 金相检查金相检查 在叶片的外缘及叶片根部分别取样进行金相在叶片的外缘及叶片根部分别取样进行金相 检查发现，在与腐蚀损伤对应的部位，可见大检查发现，在与腐蚀损伤对应的部位，可见大 量树根状沿晶发展的微裂纹。由此可见，此处量树根状沿晶发展的微裂纹。由此可见，此处 叶片所发生的腐蚀为叶片所发生的腐蚀为应力腐蚀应力腐蚀。在焊接附近所。在焊接附近所 进行的金相分析，未见异常现象，组织为进行的金相分析，未见异常现象，组织为单一单一 的奥氏体的奥氏体，晶粒度为，晶粒度为l2级。级。 以上常规检查表明，在叶片的外缘部位，以上常规检查表明，在叶片的外缘部位， 材料受到严重的应力腐蚀损伤，其力学性能材料受到严

7、重的应力腐蚀损伤，其力学性能 因而发生明显的下降现象。这与外商提出的应因而发生明显的下降现象。这与外商提出的应 力腐蚀致断的论点是一致的。力腐蚀致断的论点是一致的。但这一结论是不但这一结论是不 是不容置疑了呢？是不容置疑了呢？这还不能这样说，请看下面这还不能这样说，请看下面 进一步的分析结果。进一步的分析结果。 8.8.3 断口分析断口分析 对叶片的断口从对叶片的断口从轴向轴向及及径向径向两个角度进行两个角度进行 观察。观察。 1轴向观察轴向观察 从轴向观察，叶片断裂部分的宏观形貌如从轴向观察，叶片断裂部分的宏观形貌如 图图8-57所示。所示。 图图8-57 叶片断裂部位轴向观察示意图叶片断裂

8、部位轴向观察示意图 由图由图8-57可知，叶片断裂部位的总长度约可知，叶片断裂部位的总长度约 400mm，其中在焊缝区开裂的长度约占，其中在焊缝区开裂的长度约占1/2稍多一稍多一 些。由裂纹扩展过程中留下的些。由裂纹扩展过程中留下的锯齿状缺口锯齿状缺口及及二次微二次微 裂纹裂纹可以知道，叶片的起始裂纹在可以知道，叶片的起始裂纹在处附近起裂，处附近起裂， 按箭头所示的方向按箭头所示的方向朝两侧相反的方向朝两侧相反的方向扩展。扩展。点是点是 焊缝开裂与叶片开裂的分界点，焊缝开裂与叶片开裂的分界点，点在应力腐蚀点在应力腐蚀 区。也就是说，裂纹在区。也就是说，裂纹在处起裂后，先在处起裂后，先在焊缝区焊

9、缝区及及 叶片体叶片体扩展相当大的一段距离后，才通过应力腐蚀扩展相当大的一段距离后，才通过应力腐蚀 区，并随后引起断裂。由此可见，区，并随后引起断裂。由此可见，叶片断裂的主要叶片断裂的主要 原因不能认为是原因不能认为是由于应力腐蚀引起的，尚需寻找其由于应力腐蚀引起的，尚需寻找其 他致断因素。他致断因素。 2. 径向观察径向观察 从径向角度观察，断口的宏观形貌如图从径向角度观察，断口的宏观形貌如图 8-58所示。所示。 图图5-58 径向断口示意图径向断口示意图 从径向断口上可以看出，在叶片的焊缝开裂区内从径向断口上可以看出，在叶片的焊缝开裂区内 约有约有160mm长的未焊透区，焊接厚度仅有长的

10、未焊透区，焊接厚度仅有1mm。 由断口上的台阶花样可知，起始裂纹正是在此处薄由断口上的台阶花样可知，起始裂纹正是在此处薄 弱地区首先产生，并很快穿透焊缝，随后按图弱地区首先产生，并很快穿透焊缝，随后按图8-58 中箭头所指的方向扩展，在扩展过程中，可见中箭头所指的方向扩展，在扩展过程中，可见疲劳疲劳 弧线弧线及表示扩展方向的及表示扩展方向的放射花样放射花样。从径向断口的形。从径向断口的形 貌也可以看出，微裂纹貌也可以看出，微裂纹首先首先在未焊合区起裂，在未焊合区起裂，通过通过 焊缝及叶片本体，焊缝及叶片本体，然后然后才是应力腐蚀区，才是应力腐蚀区，直至直至断断 开。开。由此可见由此可见，叶片的

11、焊接质量不良，叶片的焊接质量不良存在大面存在大面 积的未焊合区，由此而引起的强度不足是叶片发生积的未焊合区，由此而引起的强度不足是叶片发生 疲劳断裂的疲劳断裂的主要原因主要原因。 884结论及问题讨论结论及问题讨论 （1）关于叶片断裂的原因。）关于叶片断裂的原因。根据上述分析，根据上述分析，叶片叶片 的断裂的断裂是焊缝内存在大面积是焊缝内存在大面积未焊合区缺陷未焊合区缺陷引起的。引起的。 在此区内孤立的在此区内孤立的焊肉焊肉及及微裂纹的缺陷微裂纹的缺陷，极易成为疲，极易成为疲 劳裂纹的萌生地，叶片在工作过程中，此处产生较劳裂纹的萌生地，叶片在工作过程中，此处产生较 大的应力集中，促使微裂纹的快

12、速扩展，直至断大的应力集中，促使微裂纹的快速扩展，直至断 裂。裂。 （2）过载对断裂的影响。）过载对断裂的影响。叶片在工作过程中曾多叶片在工作过程中曾多 次出现次出现过载（阻转）现象过载（阻转）现象，由于该机有过载保护，由于该机有过载保护， 每次阻转均及时停机每次阻转均及时停机,因此，过载不是这次断裂的主因此，过载不是这次断裂的主 要原因，过载仅使焊缝质量不良的问题暴露出来要原因，过载仅使焊缝质量不良的问题暴露出来 了。但在正常情况下应严防过载。了。但在正常情况下应严防过载。 （3）应力腐蚀的影响）应力腐蚀的影响。应力腐蚀虽不是这次。应力腐蚀虽不是这次 叶片断裂的主要原因，但叶片的外缘在使用叶

13、片断裂的主要原因，但叶片的外缘在使用 仅仅10个月就发生严重的应力腐蚀现象是应当个月就发生严重的应力腐蚀现象是应当 引起注意的。该叶片如果不是由于焊缝质量引起注意的。该叶片如果不是由于焊缝质量 不良而过早地发生断裂失效，可以预见在不不良而过早地发生断裂失效，可以预见在不 久的将来将会出现应力腐蚀开裂失效。因久的将来将会出现应力腐蚀开裂失效。因 此，在工作中应严格控制物料的此，在工作中应严格控制物料的pH值，减少值，减少 介质的腐蚀破坏。介质的腐蚀破坏。 8.9 3Cr2W8V钢热挤压模具失效分析钢热挤压模具失效分析 某厂采用国产的某厂采用国产的3Cr2W8V钢制造热挤压模具，用钢制造热挤压模具

14、，用 于生产铝型材。该模具在使用过程中，明显地存在于生产铝型材。该模具在使用过程中，明显地存在 着使用寿命不高的问题，据不完全统计，该厂全年着使用寿命不高的问题，据不完全统计，该厂全年 生产生产400t铝型材，共消耗铝型材，共消耗266套模具，价值套模具，价值240余万余万 元，平均每套模具生产铝型材约为元，平均每套模具生产铝型材约为1.5t，而该厂由，而该厂由 日本引进的同类模具平均使用寿命在日本引进的同类模具平均使用寿命在3.7t以上。为以上。为 此分析了该厂模具失效的原因，并提出了改造措此分析了该厂模具失效的原因，并提出了改造措 施。施。 8.9.1 模具的失效形式模具的失效形式 该厂生

15、产的热挤压模具的失效形式，主要有该厂生产的热挤压模具的失效形式，主要有三三 类类：断裂失效断裂失效、塌陷裂纹塌陷裂纹、磨损及局部擦伤磨损及局部擦伤。 1断裂失效断裂失效 该厂模具发生的断裂形式主要为该厂模具发生的断裂形式主要为整体开裂整体开裂。这种。这种 损坏多是在损坏多是在试模试模及及使用初期使用初期发生的，其发生的，其断口形态断口形态为为 粗糙的显微状粗糙的显微状，并有，并有放射花样放射花样和和人字纹花样人字纹花样，这种，这种 断裂为断裂为典型的过载断裂典型的过载断裂。 2塌陷裂纹塌陷裂纹 形状复杂的形状复杂的平板模平板模，多出现塌陷裂纹。平，多出现塌陷裂纹。平 板模出现这种损坏，一般是在

16、使用一段时间板模出现这种损坏，一般是在使用一段时间 之后发生的，裂纹起源于较大的之后发生的，裂纹起源于较大的悬臂根部悬臂根部。 模具在使用过程中材料的强度下降，发生塌模具在使用过程中材料的强度下降，发生塌 陷现象，在其悬臂根部的应力集中处，产生陷现象，在其悬臂根部的应力集中处，产生 微裂纹并导致报废。微裂纹并导致报废。 3磨损及局部擦伤磨损及局部擦伤 模具工作表面在模具工作表面在流动金属的摩擦力流动金属的摩擦力作用下，逐渐作用下，逐渐 发生尺寸减小及局部擦伤的现象，经过多次发生尺寸减小及局部擦伤的现象，经过多次修模修模 后，因尺寸超差而报废。后，因尺寸超差而报废。平板模平板模和和分流模分流模均

17、存在这均存在这 种失效形式。此类模具的使用寿命约为种失效形式。此类模具的使用寿命约为2t套，稍套，稍 高于平均寿命。现场调查表明，在上述三种失效形高于平均寿命。现场调查表明，在上述三种失效形 式中，出现最多、影响最大的是断裂失效，因此本式中，出现最多、影响最大的是断裂失效，因此本 例将以断裂失效作为分析研究的重点。例将以断裂失效作为分析研究的重点。 8.9.2 磨具的制造工艺与技术要求磨具的制造工艺与技术要求 模具用钢为模具用钢为3Cr2W8V。其。其制造工艺制造工艺为：采用声为：采用声180mm 及及l60mm两种规格的棒料切取毛坯，经油炉加热后，于两种规格的棒料切取毛坯，经油炉加热后，于

18、1200锻造成模坯，终锻温度为锻造成模坯，终锻温度为900，设备吨位为，设备吨位为750kg 及及250kg；锻坯的软化工艺锻坯的软化工艺为为860保温保温2.5h，炉冷炉冷至至500 以下以下空冷空冷，硬度要求为，硬度要求为30HRC以下；以下；粗加工成形粗加工成形；粗加工；粗加工 后的后的预备热处理预备热处理采用采用调质处理调质处理，在盐浴炉中加热至，在盐浴炉中加热至1100， 保温时间按模壁厚度保温时间按模壁厚度20s/mm计算，淬入油中冷至室温，然计算，淬入油中冷至室温，然 后于后于720 高温回火高温回火，硬度要求为，硬度要求为30HRC以下；以下；精加工成精加工成 形形；最终热处理

19、最终热处理是是1050盐浴炉火加热盐浴炉火加热淬火淬火（保温时间按（保温时间按 20s/mm计算），计算），油淬油淬，560回火回火2h后空冷，硬度要求为后空冷，硬度要求为 5256HRC，大型模具为，大型模具为4748HRC以上。以上。 8.9.3 模具的工作条件模具的工作条件 热挤压模具用于生产热挤压模具用于生产6063（Al-Mg-Si系）系） 铝合金不变断面的实芯和空芯型材，所用设铝合金不变断面的实芯和空芯型材，所用设 备为备为1250t及及600t卧式挤压机，铝合金棒料的卧式挤压机，铝合金棒料的 尺寸为尺寸为l50mm580mm、 150mm380mm、100mm380mm 三种。三

20、种。 模具在使用前，需在电阻炉中预热数小模具在使用前，需在电阻炉中预热数小 时，炉温为时，炉温为500。 铝合金棒料在连续作业炉中加热铝合金棒料在连续作业炉中加热46h，由，由 送料机构送入盛料筒，并在高温下挤入模送料机构送入盛料筒，并在高温下挤入模 具，实现其成形过程，其挤压工艺参数如表具，实现其成形过程，其挤压工艺参数如表 8-13所示。所示。 在工作过程中，压坯和模面采用在工作过程中，压坯和模面采用280360目的粉目的粉 状石墨涂料，挤状石墨涂料，挤1根涂根涂1根。根。 8.9.4 硬度检查及金相分析硬度检查及金相分析 各类模具表面硬度的检查结果：断裂模具各类模具表面硬度的检查结果：断

21、裂模具 为为4048HRC，塌陷裂纹模，塌陷裂纹模4549.5HRC， 磨损失效模具为磨损失效模具为4350HRC。从上述的硬度。从上述的硬度 检查中可以看出，各类模具的硬度差别均相检查中可以看出，各类模具的硬度差别均相 当悬殊，这可能与模具材料组织的不均匀性当悬殊，这可能与模具材料组织的不均匀性 有关。有关。 各类模具的各类模具的金相组织金相组织均为均为隐针马氏体粗大不均匀隐针马氏体粗大不均匀 的碳化物的碳化物。在轴向观察，粗大的化合物多呈带状分。在轴向观察，粗大的化合物多呈带状分 布，局部地区碳化物的堆积现象也十分严重。很显布，局部地区碳化物的堆积现象也十分严重。很显 然粗大不均匀的碳化物

22、分布，将显著降低材料的抗然粗大不均匀的碳化物分布，将显著降低材料的抗 断能力，对模具的耐磨性和抗弯强度也不利。此断能力，对模具的耐磨性和抗弯强度也不利。此 外，组织的不均匀性尚使材料的缺口敏感性加大，外，组织的不均匀性尚使材料的缺口敏感性加大， 由此可见，提高该厂热挤压模具寿命的关键由此可见，提高该厂热挤压模具寿命的关键是改善是改善 材料组织的不均匀性，并减少碳化物质点的几何尺材料组织的不均匀性，并减少碳化物质点的几何尺 寸和数量。寸和数量。 8.9.5 模具制造工艺流程的技术分析模具制造工艺流程的技术分析 为了寻找热挤压模具中产生上述组织缺陷为了寻找热挤压模具中产生上述组织缺陷 及硬度相差悬

23、殊的原因，应对该厂模具的生及硬度相差悬殊的原因，应对该厂模具的生 产工艺进行具体分析。产工艺进行具体分析。 1毛坯锻造毛坯锻造 上面谈到，毛坯是从上面谈到，毛坯是从l80mm及及l60mm圆钢上圆钢上 切取，经切取，经锻造拔长锻造拔长形成的，成品模具的外径尺寸为形成的，成品模具的外径尺寸为 153mm，而粗加工前的尺寸约为，而粗加工前的尺寸约为l60mm。由。由 此可见，采用此可见，采用180mm棒料通过拔长制造的毛坯，棒料通过拔长制造的毛坯， 其其锻造比锻造比是很小的，且锻造设备吨位小，锻打时仅是很小的，且锻造设备吨位小，锻打时仅 使表层发生塑性变形，内部金属基本保持原始状使表层发生塑性变形

24、，内部金属基本保持原始状 态，据了解，有相当数量的模具，未经锻造而直接态，据了解，有相当数量的模具，未经锻造而直接 从从160mm的钢料切取加工而成，使原始钢材中粗的钢料切取加工而成，使原始钢材中粗 大不均匀的组织缺陷完全保留下来，这一先天不大不均匀的组织缺陷完全保留下来，这一先天不 足，是模具寿命不高重要原因。足，是模具寿命不高重要原因。 2. 锻坯退火锻坯退火 860、2.5h的软化退火，主要是去除锻坯的软化退火，主要是去除锻坯 的内应力，而对于锻坯内粗大不均匀的组织的内应力，而对于锻坯内粗大不均匀的组织 缺陷几乎不产生影响。缺陷几乎不产生影响。 3粗加工后的调质处理粗加工后的调质处理 淬

25、火在淬火在1100下进行，保温时间按下进行，保温时间按20s/mm计计 算，对于算，对于未经充分锻造的毛坯未经充分锻造的毛坯来说，这一固溶处理来说，这一固溶处理 是得不到均匀单一的奥氏体组织的（该钢的是得不到均匀单一的奥氏体组织的（该钢的Acm点点 为为1100），因淬火后的组织仍保留着粗大的组织），因淬火后的组织仍保留着粗大的组织 缺陷。对于缺陷。对于正常状态的毛坯正常状态的毛坯来说，淬火加热的保温来说，淬火加热的保温 时间也应适当的延长，方能获得具有少量细小、均时间也应适当的延长，方能获得具有少量细小、均 匀分布的残余化合物和化学成分基本均匀的奥氏体匀分布的残余化合物和化学成分基本均匀的奥

26、氏体 高温组织。高温组织。 4最终热处理中的淬火最终热处理中的淬火 最终热处理中的淬火温度为最终热处理中的淬火温度为1050，保温时间同，保温时间同 前，同样，在此温度下无法改善钢材的组织缺陷。前，同样，在此温度下无法改善钢材的组织缺陷。 试验表明，未经充分锻造的试验表明，未经充分锻造的3Cr2W8V钢材，仅当钢材，仅当 淬火温度在淬火温度在1150 时（保温时间按时（保温时间按60s/mm计计 算），方能得到单一的奥氏体，淬火后为细针状马算），方能得到单一的奥氏体，淬火后为细针状马 氏体及少量残余奥氏体，氏体及少量残余奥氏体，1070下淬火，仍有相当下淬火，仍有相当 数量的未溶碳化物。数量的

27、未溶碳化物。 5最后的回火最后的回火 模具的最后热处理时进行模具的最后热处理时进行560、2h回火。此工回火。此工 艺对模具最终的基本组织及其强韧性都起着决定性艺对模具最终的基本组织及其强韧性都起着决定性 的作用，由于回火温度偏低，且采用一次回火，所的作用，由于回火温度偏低，且采用一次回火，所 得基体组织中，不可避免地存在有少量的但显著降得基体组织中，不可避免地存在有少量的但显著降 低韧性的淬火马氏体，在此基体上分布着粗大不均低韧性的淬火马氏体，在此基体上分布着粗大不均 的碳化物，将使钢材的抗断能力大大降低，这可能的碳化物，将使钢材的抗断能力大大降低，这可能 是众多模具在使用初期发生断裂失效的

28、重要原因。是众多模具在使用初期发生断裂失效的重要原因。 8.9.6 热处理工艺及性能试验热处理工艺及性能试验 通过上述工艺分析，对于该厂热挤压模具寿命不通过上述工艺分析，对于该厂热挤压模具寿命不 高的原因已经有所了解，但对于失效分析工作者来高的原因已经有所了解，但对于失效分析工作者来 说，到此还不能说已经完全解决了所要解决的问说，到此还不能说已经完全解决了所要解决的问 题，因为上述分析，只是弄清了为提高模具寿命需题，因为上述分析，只是弄清了为提高模具寿命需 要解决的大致工艺方向，而没有具体的解决措施，要解决的大致工艺方向，而没有具体的解决措施， 为此，必须通过具体的工艺艺试验及有关的性能试为此

29、，必须通过具体的工艺艺试验及有关的性能试 验予以确定。验予以确定。 毛坯的锻造改用大吨位的设备进行，以确保锻毛坯的锻造改用大吨位的设备进行，以确保锻 透。透。 重点考核的热处理工艺参数为：重点考核的热处理工艺参数为：预处理淬预处理淬 火温度（火温度（T1）；最终热处理淬火温度）；最终热处理淬火温度 （T2）；两次回火温度（均为）；两次回火温度（均为T3 ）。淬火温）。淬火温 度下的保温时间按度下的保温时间按40s/mm计算，其余工艺参计算，其余工艺参 数与生产工艺相同。数与生产工艺相同。 采用一次回归正交设计，按回归正交表安采用一次回归正交设计，按回归正交表安 排三因素二水平的排三因素二水平的

30、8次试验。各因子水平编次试验。各因子水平编 码见表码见表8-14。 图图8-14 因子水平编码因子水平编码 表表8-15 试验方案试验方案 试验结果与回归分析列于表试验结果与回归分析列于表8-16。 将试验结果代人回归方程（将试验结果代人回归方程（8-4），可得），可得 KIC。值与热处理工艺因素的定量关系式。值与热处理工艺因素的定量关系式 表表8-16 试验结果及回归分析试验结果及回归分析 对方程式（对方程式（8-5）进行显著性检验表明：所得方程）进行显著性检验表明：所得方程 是高度显著的，即用一次回归模型来描述钢材的断是高度显著的，即用一次回归模型来描述钢材的断 裂韧度（裂韧度（KIC）值

31、与热处理工艺因素间的关系，其拟）值与热处理工艺因素间的关系，其拟 合情况是良好的。合情况是良好的。 按照同样的处理方法，可得材料硬度、冲击韧度按照同样的处理方法，可得材料硬度、冲击韧度 与热处理工艺因素间的定量关系式与热处理工艺因素间的定量关系式 由方程式（由方程式（8-6）可知，影响钢材断裂韧度的工艺）可知，影响钢材断裂韧度的工艺 因素，按其重要程度（由回归方程系数的绝对值决因素，按其重要程度（由回归方程系数的绝对值决 定）依次为定）依次为回火温度回火温度、淬火温度淬火温度和和预处理温度预处理温度。提。提 高回火温度，材料的断裂韧度显著提高。高回火温度，材料的断裂韧度显著提高。 由方程式（由

32、方程式（8-7）可知，影响钢材硬度值的重要因）可知，影响钢材硬度值的重要因 素是素是回火温度回火温度，升高回火温度硬度降低；，升高回火温度硬度降低；淬火温度淬火温度 的影响次之，升高淬火温度硬度增加，这与淬火后的影响次之，升高淬火温度硬度增加，这与淬火后 基体基体合金化程度合金化程度的增加（特别是含碳量的增加）有的增加（特别是含碳量的增加）有 关；关；预热温度预热温度对硬度的影响较小。对硬度的影响较小。 由方程式（由方程式（8-7）可知，淬火温度对）可知，淬火温度对k值的影响值的影响 较之其他两个因素更大一些，且随淬火温度的升高较之其他两个因素更大一些，且随淬火温度的升高 而降低，其原因可能与

33、奥氏体晶粒的长大及合金化而降低，其原因可能与奥氏体晶粒的长大及合金化 程度的增加有关。程度的增加有关。 预处理温度（预处理温度（T1）对性能的影响较其他两个因素）对性能的影响较其他两个因素 的影响要小一些，但提高预处理温度将增加材料的的影响要小一些，但提高预处理温度将增加材料的 韧性指标，参见方程式（韧性指标，参见方程式（8-4）及方程式（）及方程式（8-6）中）中 x1项，认为韧性指标的增加，与粗大碳化物数量的项，认为韧性指标的增加，与粗大碳化物数量的 减少及分布形态的改善有关。减少及分布形态的改善有关。 8.9.7 最佳工艺规范的确定最佳工艺规范的确定 利用上面所得到的回归方程，可以针对热

34、利用上面所得到的回归方程，可以针对热 挤压模具的性能要求，确定相应的最佳热处挤压模具的性能要求，确定相应的最佳热处 理规范。理规范。 各因子的编码仍如表各因子的编码仍如表8-16所示，将其安排所示，将其安排 在在L9(3)4正交表中，如表正交表中，如表8-17所示。所示。 然后将每个规范中对应的变量（然后将每个规范中对应的变量（x1，x2， x3）代入相应的回归方程，所得相应的规范）代入相应的回归方程，所得相应的规范 性能数值也列于表性能数值也列于表8-17所示。所示。 表表8-17 L9(3)4正交表正交表 由表由表8-17中数据可知，在保证硬度与原工艺（中数据可知，在保证硬度与原工艺（0号

35、号 工艺）基本相同的条件下，可供选择的工艺为工艺）基本相同的条件下，可供选择的工艺为1号号 及及9号工艺。号工艺。采用采用1号工艺时，硬度与原工艺相同，号工艺时，硬度与原工艺相同， 而冲击韧度可提高而冲击韧度可提高75，断裂韧度可提高，断裂韧度可提高40；采采 用用9号工艺时，硬度和冲击韧度与原工艺基本相号工艺时，硬度和冲击韧度与原工艺基本相 同，而断裂韧度得以成倍的提高。同，而断裂韧度得以成倍的提高。 考虑到热挤压模具的结构中，存在着许多考虑到热挤压模具的结构中，存在着许多尖角尖角、 缺口缺口和和沟槽沟槽，并有大块非金属夹杂物和呈带状分布，并有大块非金属夹杂物和呈带状分布 的碳化物等的碳化物

36、等“类裂纹类裂纹”，此时，材料的断裂韧度较，此时，材料的断裂韧度较 之之 一次冲击韧度，对于提高模具的抗断能力具有更重一次冲击韧度，对于提高模具的抗断能力具有更重 要的意义，要的意义，所以选择所以选择9号工艺作为代替工艺。号工艺作为代替工艺。 8.9.8 使用考核使用考核 选择选择9号工艺投入使用，进行考核，结果表明，号工艺投入使用，进行考核，结果表明， 模模 具的早期断裂问题基本解决，其耐磨性也得以提具的早期断裂问题基本解决，其耐磨性也得以提 高，使模具的平均寿命成倍提高。高，使模具的平均寿命成倍提高。 8.10 埋地管道金属泄漏分析埋地管道金属泄漏分析 某地下供水管网金属管道在近期连续出现

37、多处泄某地下供水管网金属管道在近期连续出现多处泄 漏，给单位的生产造成较大影响。我们与有关技术漏，给单位的生产造成较大影响。我们与有关技术 人员合作，对金属管道的腐蚀情况进行了调查、分人员合作，对金属管道的腐蚀情况进行了调查、分 析，并对腐蚀泄漏的部分管道进行了检验，分析了析，并对腐蚀泄漏的部分管道进行了检验，分析了 地下腐蚀金属管道的材质、腐蚀管表面粘附的锈地下腐蚀金属管道的材质、腐蚀管表面粘附的锈 层、土以及杂物的物相构成。根据分析，认为层、土以及杂物的物相构成。根据分析，认为埋地埋地 金属管道金属管道腐蚀腐蚀的的主要原因主要原因应为管道埋设部位应为管道埋设部位土质的土质的 腐蚀性腐蚀性。

38、埋地管道附近土壤为盐碱性土质，为金属。埋地管道附近土壤为盐碱性土质，为金属 的腐蚀提供了有利的条件；同时，管的腐蚀提供了有利的条件；同时，管道表面防护层道表面防护层 破裂破裂导致的导致的局部腐蚀局部腐蚀也加速了腐蚀，使得管道泄也加速了腐蚀，使得管道泄 漏。漏。 8.10.1 地下管道金属腐蚀概况地下管道金属腐蚀概况 某地下供水管道沿厂区分布，埋深约在某地下供水管道沿厂区分布，埋深约在-2m。由。由 于腐蚀，多处金属管道穿孔从而导致泄漏。金属管于腐蚀，多处金属管道穿孔从而导致泄漏。金属管 道表面全面腐蚀，平均蚀层厚度道表面全面腐蚀，平均蚀层厚度12mm，有多处，有多处 “溃疡溃疡”型腐蚀瘤，剥除

39、表面附着物后，可见到明型腐蚀瘤，剥除表面附着物后，可见到明 显显 深度较大的腐蚀坑，有的地方腐蚀坑已穿透管壁，深度较大的腐蚀坑，有的地方腐蚀坑已穿透管壁， 形成直径在形成直径在12mm大的腐蚀孔。大的腐蚀孔。 管道表面原进行过涂管道表面原进行过涂沥青沥青玻璃丝布缠覆玻璃丝布缠覆涂沥涂沥 青青的的防蚀处理防蚀处理。现表面防蚀层已基本完全破坏，残。现表面防蚀层已基本完全破坏，残 余的部分已起不到防蚀作用。且在少量未完全脱落余的部分已起不到防蚀作用。且在少量未完全脱落 的玻璃丝布下，金属已形成的玻璃丝布下，金属已形成腐蚀腐蚀“溃疡溃疡”。剥离后，剥离后， 在这些丝布下面可见到深的腐蚀坑。在这些丝布下

40、面可见到深的腐蚀坑。 8.10.2 管道表面产物及材质分析管道表面产物及材质分析 1. 管道表面附着物分析管道表面附着物分析 取管道表面附着物进行取管道表面附着物进行x射线衍射分析，管射线衍射分析，管 道表面除金属腐蚀产物道表面除金属腐蚀产物Fe2O3、FeOOH、 FeCO3外，主要是一些矿物质。外，主要是一些矿物质。 2腐蚀管表面锈层分析腐蚀管表面锈层分析 取腐蚀管表面锈层进行取腐蚀管表面锈层进行x射线衍射分析，分射线衍射分析，分 析结果如图析结果如图8-59所示。所示。 图图8-59 腐蚀管表面锈层衍射分析曲线腐蚀管表面锈层衍射分析曲线 构成锈层的主要物相为构成锈层的主要物相为Fe3O4

41、、Fe2O3。和。和 FeOOH以及少量的以及少量的FeO（OHCI）。分析的结果与）。分析的结果与 管道表面附着物管道表面附着物物相分析物相分析结果是一致的。图结果是一致的。图8-59分分 析主要分析锈层，在分析时去除了土等粘附物，因析主要分析锈层，在分析时去除了土等粘附物，因 此得到的是铁锈的构成。一些溶解于水的腐蚀产物此得到的是铁锈的构成。一些溶解于水的腐蚀产物 如如硫酸盐硫酸盐、氯化物氯化物等，由于溶解于水中，以离子形等，由于溶解于水中，以离子形 式存在，在式存在，在x射线衍射分析中无法查出。射线衍射分析中无法查出。 3材质分析材质分析 在腐蚀孔附近及其远处取样作在腐蚀孔附近及其远处取

42、样作金相分析金相分析。管道材。管道材 料为料为Q235钢，为正常的轧制组织，在腐蚀孔周围未钢，为正常的轧制组织，在腐蚀孔周围未 发现冶金缺陷。发现冶金缺陷。 8.10.3 管道所处土壤成分分析管道所处土壤成分分析 取不同部位的管道填埋土，作化学成分分析，主取不同部位的管道填埋土，作化学成分分析，主 要分析对金属腐蚀影响比较大的要分析对金属腐蚀影响比较大的pH值、部分阴离子值、部分阴离子 和阳离子，结果如表和阳离子，结果如表8-18所示。所示。 表表8-18 填埋土成分分析结果填埋土成分分析结果 8.10.4 管道腐蚀原因分析管道腐蚀原因分析 1金属腐蚀过程金属腐蚀过程 由上述分析结果，可知地下

43、水管的金属腐蚀过由上述分析结果，可知地下水管的金属腐蚀过 程如下所述。程如下所述。 （1）金属的氧腐蚀过程。）金属的氧腐蚀过程。 Fe为阳极，失去电子变成离子；氧为阴为阳极，失去电子变成离子；氧为阴 极，发生还原反应，这是主要的腐蚀过程。极，发生还原反应，这是主要的腐蚀过程。 在中性和碱性环境，其反应过程应为在中性和碱性环境，其反应过程应为 阳极反应阳极反应：Fe表面与极性水分子作用溶解表面与极性水分子作用溶解 Fe2+在水中与阴极反应形成的在水中与阴极反应形成的OH-作用作用 Fe(OH)2：部分脱水形成：部分脱水形成FeOOH或或Fe3O4沉淀。沉淀。 阴极反应阴极反应：氧的还原过程：氧的

44、还原过程 （2）其他反应过程。）其他反应过程。 处在含有氯、处在含有氯、SO32-等离子或氯化物的溶液中时，等离子或氯化物的溶液中时， Fe会与溶液中的氯化物等发生化学或电化学反应，会与溶液中的氯化物等发生化学或电化学反应， 其结果是其结果是FeFe2+溶解。在含有溶解。在含有HCO3-离子时，离子时， HCO3-离子可与氧化反应形成的离子可与氧化反应形成的Fe(OH)2发生反应，发生反应， 使使Fe(OH)2溶解，从而破坏溶解，从而破坏Fe2+20H- Fe(OH)2反反 应的平衡，加速应的平衡，加速Fe的溶解。发生在管道与其接触的的溶解。发生在管道与其接触的 土壤界面上的这类反应有土壤界面

45、上的这类反应有 这些反应不仅直接加速了这些反应不仅直接加速了Fe的腐蚀溶解，而且破的腐蚀溶解，而且破 坏管道表面保护结构，形成不同的腐蚀形态，加坏管道表面保护结构，形成不同的腐蚀形态，加 速腐蚀过程。速腐蚀过程。 2土壤特性和盐类浓度对腐蚀的影响土壤特性和盐类浓度对腐蚀的影响 埋设在土壤中管道的腐蚀应属于土壤腐蚀的范畴，因此，埋设在土壤中管道的腐蚀应属于土壤腐蚀的范畴，因此， 土壤的特性对管道金属的腐蚀有很大的影响。土壤的特性对管道金属的腐蚀有很大的影响。土壤的土壤的pH 值、粘度、致密性、导电性、盐类类型和浓度等值、粘度、致密性、导电性、盐类类型和浓度等都对金属的都对金属的 腐蚀速度有很大影

46、响，埋地管道所处土壤的性质，属于腐蚀速度有很大影响，埋地管道所处土壤的性质，属于盐碱盐碱 土土，盐类含量较高，导电性较好；，盐类含量较高，导电性较好；疏松疏松，易于氧气的传输，易于氧气的传输 等，可引起严重腐蚀，导致管道穿孔。等，可引起严重腐蚀，导致管道穿孔。 一般地说，在一定浓度以下，随着盐类（中性）浓度的增一般地说，在一定浓度以下，随着盐类（中性）浓度的增 加，金属的腐蚀速度明显增高。加，金属的腐蚀速度明显增高。一方面一方面，盐类的增加，提高，盐类的增加，提高 了土壤的导电性，加速了腐蚀，了土壤的导电性，加速了腐蚀，另外另外，盐类可直接参与腐蚀，盐类可直接参与腐蚀 过程过程,如上所述。如上所述。另外，离子的存在另外，离子的存在，对形成孔状腐蚀有很，对形成孔状腐蚀有很 大作用。大作用。 3保护结构破坏或表面沉积物对腐蚀的作用保护结构破坏或表面沉积物对腐蚀的作用 对地下金属管道的防护，由于受成本的影响，一对地下金属管道的防护，由于受成本的影响，一 般般不采用耐蚀材料或高级防护方法不采用耐蚀材料或高级防护方法。涂沥青和包扎涂