《材料失效机理与失效预防》课程试卷(失效分析实例)

1、材料失效机理与失效预防课程试卷华东理工大学机械与动力工程学院2010年1月姓名：学号：成绩：说明：试从下面给出的三个案例素材中，选择12个结合课程学习内容分析该案例的失效原因与预防措施。并以分析的案例简述：1、失效机理与失效预防的意义2、材料失效的机理与表现形式3、你对失效分析的认识（本课程给你的启发、你对本课程的意见）案例1轴承内圈开裂原因分析1.背景材料轴承钢材料要求具有高的接触疲劳强度、高的耐磨性、高的弹性极限、适宜的硬度一定的冲击韧性、良好的尺寸稳定性和良好的工艺性能等，常用的轴承钢材料有GCr6、GCr15、GCr9、GCr9SiMn、GCrSiWV、SUS304和SUS4400等，

2、不同的钢种在不同的方面具有特殊的作用，以满足不同的工况条件。某一炼油厂大型设备上所使用的轴承套圈发生开裂,宏观形貌如图1,轴承套圈壁厚约28mm。该轴承内圈在使用过程中发现开裂，从开裂的轴承内圈可见裂纹沿纵向发展并且较直，裂纹已经穿透该轴承套圈壁厚,在其外壁可见环状颜色较暗的氧化区域,黑色氧化区域带宽约26mm,同时在外壁可见许多大小不一、深浅不均的剥落凹坑,最深的凹坑深度约为10.5mm。2.检验检测结果图1开裂轴承套圈宏观形貌化学成分分析 在开裂轴承内圈上取样并进行化学成分分析，结果见表1。表1化学成分分析结果项目CSiMnPSCrrMo实测值0.950.290.680.0080.0041

3、.780.28断口分析通过对开裂轴承套圈裂纹附近用放大镜仔细观察，可见断口分为剥落区和快速扩展区，断口上裂纹从凹坑底部向轴承套圈表面呈河流花样扩展。在开裂轴承套圈裂纹源处取断口试样，图2为裂纹源处断口试样宏观照片，人为打开断口，图3为打开后的断口宏观形貌，断口上可见较多的棕色泥浆状污垢。将图3中的裂纹源处放大，得到如图4的裂纹源处低倍形貌，即在离开表面一定深度的次表面；图5中可见剥落区断口上明显的贝壳纹特征；图6为断口上的河流花样；高倍下观察裂纹最后快速区上以解理特征为主，见图7。图2断口打开前宏观照片图4裂纹源低倍照片图3断口打开后宏观形貌图5贝壳纹特征图6断口上的河流花样图7解理特征金相检

4、验分别在裂纹源处截取纵向、横向金相试样，编为1和2，在远离断口的正常部位截取纵向、横向金相试样，编为3和4，在表面环状颜色较暗处取金相试样，编为5，经镶嵌、磨抛及化学试剂侵蚀后，在光学显微镜下观察，并按GB/T18254-2002标准分别对试样中的非金属夹杂物、显微组织、碳化物不均匀性（碳化物网状、碳化物带状、碳化物液析）等项目进行评级，结果见表2和表3。表2纵向试样检验结果检测项目1#3#非金属夹杂物A1.0、BO、CO、D0.5A1.0、BO、CO、D0.5碳化物带状1级1级碳化物液析未见液析未见液析表3横向试样检验结果检测项目2#4#5#显微组织回火马氏体+粒状碳化物，见图8；2#试粒状

5、碳化物，:样断口处组织亦为回火马氏体+见图9碳化物网状2级，见图101级1级靠近表面组织马氏体，见图11回火马氏体+粒状碳化物表面存在剥落坑及裂纹，表层组织为马氏体，过渡层为屈氏体+粒状碳化物，见图12图8试样组织图92断口处组织图125试样表面二次淬火组织硬度测试2.4.1洛氏硬度测试在轴承内圈的正常部位基体处取样，经磨床磨光后将试样置于洛氏硬度计上进行洛氏硬度测试，结果为60.0HRC、60.0HRC和60.5HRC。2.4.2硬度梯度测试取表面氧化处的金相试样(5#)磨抛后置于FM700显微维氏硬度计上，使用9.807N载荷从表面开始进行硬度梯度的测试，测试位置见图12，测试结果见表4。

6、表4硬度梯度测试结果离开表面距离，mmHV1.0相当于HRC0.06070260.20.26072761.20.46071860.90.66074461.90.86080364.11.06081964.51.26079163.61.46080564.11.66080164.01.86079263.72.06044945.22.26044644.92.46048047.62.66051149.82.86054351.93.06057153.63.26061656.13.46063156.83.66063256.93.86065357.94.06065858.24.26066958.74.4606

7、8059.24.66068959.64.86069059.65.06069159.7通过对表面氧化处试样的硬度梯度测试，可见该试样表面处硬度最高，在深度约2.06mm处硬度最低，然后随着深度的增加硬度慢慢升高，至4.46mm处硬度基本上和基体硬度一致。案例2循环乙烷裂解炉炉管失效分析1.背景发生失效的设备为循环乙烷裂解炉炉管，其材质为35Cr45Ni+NbMA高镍铬奥氏体耐热钢。炉管采用离心铸造方式制造，炉管内径120mm,外径141.6mm,长9865mm,壁厚10.8mm。生产操作工艺条件为管内压力为200kPa,管外-35kPa。管内最高温度850C,管外最高温度1100C。管内介质为乙

8、烷及其裂解气，管外介质为燃料气燃烧产生的烟气，介质流量为9981Kg/h。失效的两程炉管中，一程为2007年2月更换使用至今。另一程为2008年2月更换炉管使用至今。两程炉管之间弯头自2005年更换使用至2009年3月事故发生。2.检验检测结果宏观形貌观察：对失效的炉管与弯管进行宏观检查发现，两程炉管均有明显的轴向裂纹，裂纹为穿透性裂纹，无可见塑性变形，而壁裂口有金属光泽，炉管内部存在很厚的结焦层，达到29.28mm。断口表明洁净且相当粗糙。图1为炉管的断口形貌。连接两程直炉管的弯头为180度急弯弯头，直管和弯头以焊接形式连接，其中减薄部位位于弯管入口和出口的肩部，入口肩部减薄相对突出。如图2

9、所示，其中箭头所指部位为减薄的部位。图1直管段断口形貌图2弯头剖面形貌形貌微观形貌观察取炉管断口试样进行扫描电镜观察，如图3-4所示。图中显示，裂纹为沿晶断裂，断口呈准解理特征。以企业炉管技术协议的数据作为参考标准，在距离炉管内壁4mm处取样进行化学成分分析，结果如表1所示。表1炉管化学成分(wt%)项目CSPMoNbTiNiCr实测0.490.00710.0260.0050.990.00743.5735.44标准成分0.4/0.50.030.030.500.8/1.50.05/0.243/4733/37金相检验在失效炉管内壁取试样，抛光后的形貌如图5所示。图5显示炉管试样的组织为枝晶状形貌，

10、晶间未形成明显的碳化物。图5炉管抛光形貌力学性能测试分别对失效的炉管和同批新炉管制取试样进行力学性能测定，以了解服役前后炉管力学性能的变化情况。1）冲击试验冲击结果如表3所示。表2冲击试验结果样品编号缺口尺寸缺口面积（mm2）冲击功akv（J）宽度（mm）高度（mm）110.058.4889.0411.729.867.7776.618.639.767.8076.133.549.677.8275.623.3注：其中冲击缺口部位：1为新管朝外表面开V口、2为新管朝环向开V口、3为旧管朝外表面开V口、4为旧管朝环向开V口2）拉伸试验表3拉伸试验结果试样编号J1J2J3J4X5X6X7X8标准抗拉强度

11、/MPa449.26450.78466.21465.29518.06516.48520.6514.752440延伸率/%3.22.333.333.5313.9313.6713.1312.6三5注：标准为企业提供的炉管技术条件要求；J编号为旧管、X编号为新管。拉伸试件残样形态为新旧管均无颈缩现象，无明显屈服点。案例3航煤脱硫醇反应器导压管开裂失效分析1背景：某炼油装置的航煤脱硫醇反应器在投入使用后6个月，发现与反应器进料管相连的导压管（承插焊焊缝附近）出现介质泄漏现象。表面着色检验发现导压管外壁有穿透裂纹存在。该进料导压管操作参数如下：操作压力：2.8MPa；操作温度：240C；管内介质：航空煤

12、油；管子材料：0Cr18Ni9Ti2检验检测结果材料的成分分析与硬度检验表1-1导压管母材化学成分分析CMnSiPSCrNiTi实测值0.050.510.590.0090.00818.3310.000.36表1-2导压管焊缝化学成分分析CMnSiPSCrNiTi实测值0.040.530.520.0080.00719.1210.090.33表2导压管母材与焊缝显微硬度值测试部位硬度值（HB）母材171174173172171175焊缝195198196197199195热影响区182185181182190191裂纹宏观形貌对失效部件取样检查发现：（1）导压管的内外壁表面无任何明显腐蚀情况；（2）内表面主裂纹有二条，一条为环向裂纹，另一条裂纹与管子轴向成近45方向开裂，且裂纹扩展呈直线状，无任何分枝、分叉小裂纹（图1）；（3）外表面裂纹形貌与内表面裂纹相同，且裂纹产生部位靠近焊缝熔合区（图2）。 从横向截面和纵向截织。由近裂纹部位的焊缝及母材金相组织照片（图【少量的灰色条状为铁素体脆性相析出。组织含有较多的碳化物和少量的铁素此外观察裂纹形貌可无分叉二次裂纹（图4）。I0.Imhuiiini外壁焊缝100X母材中部200X裂纹形貌以及材料的 #图3导压管材料的金相组织 裂纹断口裂纹宏观断口将管子的环向裂纹打开后