（材料学专业论文）阀门、螺栓及发电机定子和转子的失效分析.pdf

擅曼盘茎堡主鲤塞圭望些堡塞塑里 摘要 本文综合应用了失效分析的基础理论、测试技术和分析方法，系统研究和 解决了化工、电力行业所发生的阀门内泄漏、定子线圈槽过热、转子防护绝缘 漆脱落和盲板固定螺栓断裂四项失效案例。 采用金相显微镜和扫描电镜( s e m ) ，对在合成氨生产中发生内泄漏的不锈钢 球阀、闸阀和旋塞阀进行了宏微观形貌观察和金相组织分析；并采用光电直读 光谱仪、能谱仪( e d s ) 、x 射线荧光光谱仪( x r f ) 、红外碳硫分析仪和nho 分 析仪对阀门材质和密封部位表面沉积物进行了系统的表征分析。结果表明球阀 和闸阀的失效是由于材质不合格和环境介质的共同作用所产生的电化学腐蚀和 结垢引起的；旋塞阀的失效为腐蚀磨损和磨粒磨损的相互作用所致。提出了磷 酸铵溶液中不锈钢的腐蚀机理以及碱性介质中旋塞阀磨损的失效机制。 为解决3 0 0 m w 发电机定子线圈槽的异常升温现象，利用s e m 、e d s 和红 外光谱仪( f 1 讯) 对定冷水系统不明异物进行了表征分析；同时采用原子吸收 光谱仪( a a s ) 对定冷水水质进行了测定。结果表明，发电机定子线圈槽的异 常升温是由异物堵塞冷却水空芯铜导线而引起的，在磁场作用下腐蚀产物氧化 铜和定冷水系统中的其他异物在空芯铜导线内沉积结垢，堵塞了空芯铜导线， 从而使定子线圈槽出现异常升温现象。此外，对空芯铜导线的腐蚀机理进行了 分析和论述。 为鉴定6 0 0 m w 发电机转子端部护环表面上不明粉末的组成和形成原因，利 用s e m 、e d s 、x 射线衍射仪( x r d ) 、激光拉曼光谱仪( r a m a n ) 、f t i r 和 热失重分析仪( t g a ) 对不明粉末进行了表征和分析。测试结果表明了不明粉 末为已粉化的醇酸树脂，主要来自涂覆在发电机转子表面上的防护绝缘漆。 利用金相显微镜、光电直读光谱仪、s e m 、e d s 和nho 分析仪等方法对 煤气加热器固定螺栓断裂的样品进行了金相、化学成分，断口的宏观形态、微 观形貌及其微区化学成分等观察和分析。结果表明：螺栓的断裂是由于材质和 加工质量不合格、紧固不当以及环境介质的交互作用所产生的电偶腐蚀和缝隙 腐蚀以及随后的应力腐蚀开裂而引起的。并且讨论了螺栓在腐蚀环境中发生缝 隙腐蚀和硫化物应力腐蚀开裂的机理。 最后，根据上述四项典型案例的失效分析结果，提出了相应的解决对策， 从而不仅可以预防同类事故的重复发生，减少不必要的经济损失并避免可能的 人员伤亡，而且可以提高设备的整体质量及其结构完整性。 关键词：失效分析；表征方法：阀门；定子线圈槽；转子护环；螺栓 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r y ，a n a l y s i sm e t h o da n dt e s t i n gt e c h n i q u eo f f a i l u r ea n a l y s i sw e r ec o m p r e h e n s i v e l yu d l i z e dt os y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t ea n ds o l v e f o u rf a i l u r ec a s e sc o n c e r n e d 、i t hi n n e rl e a k a g eo fv a l v e ，o v e r h e a t i n go fg e n e r a t o r s t a t o rs l o t , d e b o n d i n go fi n s u l a t i o nc o a t i n go nr o t o r , a n df r a c t u r eo fb o l tf i x i n gb l i n d p l a t ew h i c ho c c u r r e di nc h e m i c a la n de l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r i e s t h em a c r oa p p e a r a n c e ，m o r p h o l o g ya n dm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r eo fb a l lv a l v e ， g a t ev a l v ea n dp l u gv a l v em a d eo fs t a i n l e s ss t e e lf a i l e di ns y n t h e t i ca m m o n i a p r o d u c t i o nw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a l s o ，p h o t o e l e c t r i cd i r e c tr e a d i n gs p e c t r o m e t e r , e n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o m e t e r ( e d s ) ，x - r a yf l u o r e s c e n c es p e e t r o m c 她= ro 口r f ) ，c a r b o na n ds u l 缸 a n a l y z e ra n dn h o - a n a l y z e rw e t u s e dt oa n a l y z ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f m a t e r i a l s a n dp a r t i c l e sd e p o s i t e do ns e a l i n ga r e a 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a i l u r eo fb a l l v a l v ea n dg a t ev a l v ew a sc a u s e db ye l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o na n ds c a l i n gr e s u l t e d f r o mi n t e r a c t i o no fi n f e r i o rm a t e r i a l sa n de n v i r o n m e n tm e d i u m a n dt h ef a i l u r eo f p l u gv a l v ew a sd u et oi n t e r a c t i o nb e t w e e nc o r r o s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a l b e s i d e s ， t h ec o r r o s i o nm e c h a n i s m so fs t a i n l e s ss t e e li na m m o n i u mp h o s p h a t es o l u t i o na n d w e a l m e c h a n i s m so f p l u gv a l v ei na l k a l is o l u t i o nh a v eb e e np r o v i d e d t os o l v et h ep r o b l e mo fa b n o r m a lt e m p e r a t u r er i s eo fg e n e r a t o rs t a t o rs l o t s ， s u b s t a n c e si nt h e3 0 0 m wg e n e r a t o rs t a t o rw a t e rc o o l i n gs y s t e mw e r ec h a r a c t e r i z e d a n da n a l y z e db ys e m ，e d sa n df t - i rs p e c t r o s c o p y ( r t m ) i na d d i t i o n , a t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ( a a s ) w a su s e dt od e t e r m i n et h ei o nc o m p o s i t i o ni ni n t e r n a l c o o l i n gw a t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h ea b n o r m a lt e m p e r a t u r e r i s eo f t h e s t a t o rs l o t si sr e s u l t e df r o mt h es c a l es u b s t a n c e sb l o c k i n gh o l l o wc o p p e rc o n d u c t i n g w i r e s ，d u et ot h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s , c o p p e ro x i d ef r o mc o r r o s i o na n d o t h e rf o r e i g nm a t t e r si ns t a t o rw a t e rc o o l i n gs y s t e mw e r ea c c u m u l a t e da n ds e a l e do n t h ec o p p e rs u r f a c eo fh o l l o wc o p p e rc o n d u c t i n gw i l e s w h e nt h ea c c u m u l a t i n gs c a l e s u b s t a n c e sg r e wb i ge n o u g h , t h eh o l l o wc o p p e rc o n d u c t i n gw i r e sw e r eb l o c k e d t h i s c o n s e q u e n t l yl e dt ot h ea b n o r m a lt e m p e r a t u r er i s eo f $ t a t o rs l o t s f u r t h e r m o r e ，t h e c o r r o s i o nm e c h a n i s m so fh o l l o wc o p p e rc o n d u c t i n gw i r e sw e r e a n a l y z e da n d d i s c u s s e d v t oi d e n t i f yc o m p o s i t i o na n df o r m a t i o ar e a s o no ft h ep o w d e rf o u n do nt h e r e t a i n i n gr i n go fa6 0 0 m wg e n e r a t o rr o t o r , t h ep o w d e ra d h e r et ot h er e t a i n i n gr i n g w a sc h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e d b ys e m ，e d s ，r a m u ns p e c t r o s c o p y , x r a y d i f f r a c t i o nf x r d ) ，f t i ra n dt h e r m og r a v i m e t r i ca n a l y z e r ( t g a ) t h et e s t i n g r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o w d e rw a sm a i n l ya l 】b dr e s i nw h i c hc a m ef r o mt h ei n s u l a t e d p r o t e c t i v ec o a t i n go nt h er e t a i n i n gr i n ga n dt h er o t o r t h es a m p l e so ff r a c t i l r e db o l t sa tt h eb o t t o mo fac o a l g a sh e a t e rw e r e c h a r a c t e r i z e db ym e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e ，s e m ，e d s ，p h o t o e l e c t r i cd i r e c tr e a d i n g s p e c t r o m e t e ra n dn h o - a n a l y z e rt oa n a l y z et h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e ，c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , m a c r o s c o p i ca p p e a r a n c e , m o r p h o l o g y a n dm i c r o - a r e ac h e m i c a l c o m p o s i t i o no ft h ef r a c t u r es u r f a c e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg a l v a n i cc o r r o s i o n , c r e v i c ec o r r o s i o na n df o l l o w e ds t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n gr e s u l t e df r o mi n t e r a c t i o no f i n f e r i o rm a t e r i a l s ，u n q u a l i f i e a t i o ni nm a n u f a c t u r e ，e r r o r si no p e r a t i o na n de n v i r o n m e n t m e d i u ml e dt ot h ef r a c t u r eo fb o l t s a l s o t h ec r e v i c ec o r r o s i o na n ds u i p h i d es t r e s s c o r r o s i o nc r a c k i n gm e c h a n i s m so f b o l t si nc o r r o s i v ee n v i r o n m e n tw e r ed i s c u s s e d f i n a l l y , s o m ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r db a s e do nr e s u l t s f r o mf a i l u r ea n a l y s i sp e r f o r m e do nf o u rt y p i c a lc a s e s t h e s ee f f e c t i v es u g g e s t i o n sw i l l n o to n l yp r e v e n tr e p e a t i n go c c u r r e n c es i m i l a r t ot h ea n a l y z e da c c i d e n t s ，r e d u c e u n n e c e s s a r ye c o n o m i cl o s sa n da v o i dp o s s i b l ep e r s o n n e lc a s u a l t y , b u ta l s oe n h a n c e t h ew h o l eq u a l i t yo f e q u i p m e n ta n di t ss t r u c t u r a li n t e g r i t y k e yw o r d s ：f a i l u r ea n a l y s i s ；c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d ：v a l v e ；s t a t o rs l o t s ：r e t a i n i n g r i n g ：b o h v i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：肆整函日期：2 塑珀坠盟鸽 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布沧文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 名：掣虹靠躲穆翘隅趁翌垄：p 拯星盘差亟主婴塞圭望些堡塞笺二童堡童 第一章绪言 摘要：本章首先介绍了失效分析的基本概念，实用意义和国内外研究现状，然 后进一步阐述了失效的分类和原因，以及失效分析的思路方法和步骤，最后简 要介绍了本课题的研究背景、方法和内容 1 1 失效与失效分析 1 1 1 失效 各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以各种金属及其他材 料形成的构件都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递 能量、完成某种规定的动作等。失效主要是指机械构件( 或产品) 由于尺寸、形 状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。 失效在国内有时俗称“损坏”、“事故”等。但事故是指一种后果，即造成的损失 和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态，失效是造成各种事故的重要 致因。为防止混乱，在1 9 8 0 年1 2 月召开的中国机械工程学机械产品失效分析会 议上，我国学者正式确定为“失效”。机械构件失效即失去其原有功能，其含义 包括三种情况1 1 - 3 1 ： ( 1 ) 机械构件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。 ( 2 ) 机械构件在外部环境作用下，部分失去其原有功能，虽然能够工作，但不 能完成规定的功能。 ( 3 ) 机械构件虽然能够工作，也能完成规定功能。但继续使用时，不能确保安 全可靠性。如经过长期高温运行的阀门和管道，其内部组织已经发生变化， 当达到一定的运行时间，继续使用就存在泄露的可能。 失效不仅会造成经济损失，还会导致人员伤亡。据报道，美国1 9 8 2 年的统 计表明，每年由于磨损、腐蚀和断裂失效造成的直接经济损失为3 6 0 0 亿美元， 2 0 0 1 年我国因腐蚀造成的损失约4 0 0 0 亿人民币 4 1 。2 0 0 3 年，重庆开县发生天然 气井喷，造成2 4 3 人中毒死亡，2 1 4 2 人入院治疗，6 5 0 0 0 人被紧急疏散。化工行 业具有高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、巨毒等生产特点，是事故多发行业。化 工事故不仅会造成巨大的经济损失，还极易引起社会恐慌，影响社会和谐稳定。 客观地说，任何一种产品，只要使用就存在失效的可能。机械构件发生失效 后，往往破坏了整个工程的结构完整性。美国挑战者号航天飞机发生爆炸，就仅 仅是因为一个橡胶密封圈的失效造成的。失效除造成整机的破坏甚至整个企业的 生产停顿外，还可能引起相关企业的减产和停产，由此将造成更大的间接损失。 笾兰盘茎亟圭里塞圭兰些堡塞蔓= 童堕童 如电力系统的失效就有着经济、环境和安全等多方面的广泛影响，2 0 0 3 年美国 和加拿大发生大面积停电使工业生产、商业活动和交通运输陷入瘫痪，约5 0 0 0 万人受到影晌，经济损失至少6 0 亿美元。1 9 8 6 年前苏联切尔诺贝利核电站发生 了世界核电史上最严重的事故，3 2 0 多万人受到核辐射侵害，欧洲大部分地区的 土地、水源和生态环境被破坏。 1 1 2 失效分析 一个工业系统、一台装备、一个构件、甚至一个螺栓，旦失效而不能执行 原来规定的使用功能，就必须找出其失效的原因，并提出有效的解决对策。失效 分析就是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，它的 任务是揭示产品失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，找出纠正和预防失 效的措施【5 】。它是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系 统组元等质量问题的工程学。失效分析是现代材料科学与工程的一个重要组成部 分，它是多学科交叉的产物，包括如可靠性、材料、机械、力学、化学、摩擦磨 损、腐蚀与防护甚至生物学等学科，失效分析技术不仅包含了痕迹分析、裂纹分 析、断口分析、失效评估等直接的技术，还包含了涉及到物理、化学、力学、电 子学等各种学科和技术领域中一些专门的测试技术，其中金相检验、成分分析、 无损检测和常规的力学性能测试等方面的实验检测及分析技术应用更为常见1 6 】。 失效分析被广泛运用于电力、化工、航空、航天、汽车、船舶和煤矿等行业 及诸多领域。任何机械产品失效总是首先从某些零件的最薄弱部位开始，而且在 失效的部位保留着失效过程中的信息，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不再发生， 从而使产品质量得以提高这就是失效分析的目的。从技术上和经济上都没有必要 要求机械构件永不失效，失效分析的目的不在于造出具有无限使用寿命的机械， 而是确保机械产品在给定的寿命期限内不发生早期失效，或者把机械失效限制在 规定的范围之内。 1 2 失效分析的意义 ( 1 ) 失效分析可以减少和预防机械产品同类失效事故的重复发生，从而提高机 械产品质量和减少经济损失，它是创建名牌机械产品的必由之路和科学途 径。 ( 2 ) 失效是产品质量控制网发生偏差的反映，失效分析是可靠性工程必不可少 的基础技术工作，加强机械产品失效及其分析工作的管理必将强化全面质 量管理工作，因而它是机械产品全面质量管理中的重要组成部分和关键的 技术环节。 2 基兰盘茎堡圭里塞竺望些i 垒塞蔓二室堡童 ( 3 ) 失效分析是机械产品维修工作的技术基础，它可以决定维修的可能性、技 术和方法，从而提高维修工作的质量、速度和效益。 ( 4 ) 失效分析可以为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、开展技术保险业务、 修改和制定产品质量标准等方面提供可靠的科学技术依据，它是经济立法 工作中重要程序和基础技术工作，从而可提高经济法的完整性、科学性和 客观权威性。 ( 5 ) 失效分析是技术开发、技术改造、技术进步乃至整个科学技术水平的提高 等方面的“开拓者”和“杠杆”，它提供信息、方向、途径和方法，从而 提高国民经济发展和科学技术发展的速度。 ( 6 ) 机械产品失效及其分析工作的累积统计资料可以提供技术信息、经济信息 和人材信息，它可以反映经济工作、科学技术研究和人材培养方面的薄弱 环节和失误或失调，因此它是进行宏观经济和技术决策重要的信息来源， 也是科学技术人员认识事物和改造事物的信息源泉【7 i 。 1 3 失效分析的历史和研究现状 失效分析的发展历程，大体经历了与简单手工生产基础相适应的古代失效分 析，以大机器工业为基础的近代失效分析和以系统理论为指导的现代失效分析三 个重要的历史阶段。可以说，人类的生产实践就是人们不断与产品失效作斗争的 历史，失效分析也长期作为零星、分散、宏观的经验世代相传。第一次世界工业 革命前是失效分析的初级阶段。从人类使用工具开始，失效就与产品相伴随。目 前所能考证的最早有关产品质量的法律文件是公元前2 0 2 5 年由巴比伦国王汉莫 拉比撰写的。这个时期是简单的手工生产时期，生产力极为落后，产品也极其简 陋，没有科学而言，不可能也没有必要对产品失效的原因进行分析，其对付方法 就是更换。失效分析基本上处于现象描述和经验阶段。 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 命开始的。当蒸汽动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，也给人类 带来了前所未闻的灾难性事故。人们尚未掌握材料在各种环境中使用可能出现的 失效现象。锅炉爆炸、桥梁倒塌、车轴断裂、船舶断裂等事故频频出现，促使了 失效分析技术的发展。1 8 6 2 年英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失 效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。在这一时期，各种失效形 式的发现及规律的总结，大大推动了相关学科特别是推动和促进了强度理论和断 裂力学学科的创立和发展。通过对大量锅炉爆炸和桥梁断裂事故的研究，c h a r p y 发明了摆锤冲击试验机，用以检验金属材料的韧性；w o h l e r 通过对火车轮轴断 裂失效的分析研究，揭示出金属的“疲劳。现象，并成功研制了世界上第一台疲 劳试验机；g r i f f i t h 通过对大量脆性断裂事故的研究，提出了金属材料的脆断理 握曼占差亟主里塑皇兰些堡塞篁二童堕童 论；北极星导弹爆炸事故和二战期间的“自由轮”脆性断裂事故大大推动了人 们对带裂纹体在低应力下断裂的研究，产生了断裂力学这一新型学科。然而由于 科学技术的限制，当时的分析手段主要是材料的宏观检验及倍率不高的光学金相 观测，未能从微观上揭示失效的本质【8 1 。 2 0 世纪5 0 年代以后，材料科学的兴起，先进测试技术的应用以及近代物理、 化学等的全面发展，使得人们能从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。 在此基础上，失效分析走上更系统、综合、理论化的新阶段。随着电子行业的兴 起。微观检测仪器的出现，特别是分辨率高、放大倍率大的透射及扫描电子显微 镜的闯世，使失效分析扩大了视野，洞穿了失效的微观机制。随后大量现代物理 测试技术的应用，如电子探针x 射线显微分析、x 射线及紫外线光电子能谱分 析、俄歇电子能谱分析等，从而使失效分析登上了新的台阶。电子显微分析使失 效细节观察成为可能，促使断口学及痕迹学的完善，成为失效分析最重要的科学 技术；断裂力学已成为研究含裂纹的工程结构件变形及裂纹扩展的分支学科，它 揭示了含裂纹体的裂纹扩展规律，在失效分析诊断中起了重大作用；失效分析集 断裂特征分析、力学分析、结构分析、材料抗力分析及可靠性分析为体，己发 展成为跨学科的、综合的且又相对独立的专门学科。 传统的机械构件失效多指金属构件失效，随着材料科学的发展，聚合物及陶 瓷材料日益增多地用作结构部件，复合材料的应用比重也越来越大，对这些材料 的失效研究已变得越来越重要。电子器件由金属、聚合物、陶瓷材料及复合材料 构成，随着电子器件的广泛应用，电子器件的失效己变成另一个很突出的领域。 虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品 的可靠性日益提高，然而失效事件并不会最终消失。而且，产品的自动化程度愈 高，技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重，同时，科技的飞速发展 也必将促进和推动失效分析学科的进步。 1 4 失效的分类 一般可以将失效从技术观点、质量管理的观点和经济法的观点迸行分类。从 失效分析的技术观点进行分类主要是按失效模式和失效机理分类。失效模式是指 失效的外在宏观表现形式和规律。失效机理则是指引起失效的微观的物理化学变 化过程和本质。按失效模式和失效机理相结合对失效进行分类就是宏观和微观相 结合、由表及里地揭示失效的物理本质和过程。机械失效分类如表1 1 所示。表 1 1 左边为失效模式和失效机理，右边为断口( 表面) 形态，左右之间的实线为 通常情况下的对应关系，虚线为特定情况下的对应关系。 4 握曼占釜亟主旦塞皇兰些i 垒窒蔓二窆笙童 表1 1 机械失效分类 失效模式失效机理断口( 表面) 形态 韧性断裂韧性断裂机理 低温断裂低温断裂机理 辐射脆化辐射损伤机理 氢损伤氢损伤机理 断 脆 应力腐蚀应力腐蚀机理 裂 液( 固) 金属液( 固) 态金属 失 性 断 脆化脆化机理 效 液体浸蚀损液体浸蚀机理 裂 伤 高温应力断蠕变断裂机理 裂 疲劳断裂疲劳机理 一一癌昔客擗 磨粒磨损磨粒磨损机理 一磨屑、磨坑 粘着磨损 粘着磨损机理h 金属( 材料) 转 磨移 损 疲劳磨损 机腐蚀磨损 械微动磨损 失氧化物或硅酸 效 化学腐蚀氧化机理 盐 点蚀 非 晶间腐蚀 断 ( 剥蚀) 裂 电偶腐蚀 电 失 腐 选择性腐化 效 蚀 蚀 学 电化学腐蚀缝隙腐蚀腐 一 腐蚀减薄及其 气氛腐蚀蚀 产物 生物腐蚀 机 土壤腐蚀 理 应力腐蚀 氢脆 腐蚀疲劳 变 弹性弹性变形 h 尺寸、形状变形 形 塑性塑变机理 值得提出的是，单一模式或单一机理的失效较少见。大多数的失效是多因素、 多种机理及复杂模式的“复合型失效”。如低周疲劳( 韧性断裂和疲劳机理交互 作用) 、应力腐蚀疲劳( 应力腐蚀和疲劳机理交互作用) 、高温疲劳( 蠕变和疲 拯曼占量亟圭墅塞圭兰些堡塞筻二皇蕉童 劳交互作用) 、腐蚀疲劳( 疲劳和腐蚀机理交互作用) 、冲蚀磨损( 磨粒磨损和 腐蚀交互作用) 、腐蚀磨损和疲劳磨损等i 硎。 1 5 失效的原因 1 5 1 设计的问题 有些失效是由于设计引起的，例如： ( 1 ) 在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等。 ( 2 ) 应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的零件，所承受的载荷性质、大 小等，缺少足够的资料，易引起计算方面的错误。 ( 3 ) 设计判据不正确。由于对产品的服役条件了解不够，设计判据的选用错误 造成失效的事例也时有发生。例如对有脆断危险的零件，对可能承受冲击 载荷的零件，对交变载荷及带有腐蚀介质环境下工作的零件，仅以材料的 抗拉强度和屈服强度指标作为承载能力的计算判据就很不可靠，而且还会 因为追求过高的材料强度而导致过早的失效。 1 5 2 材料选择上的缺点 ( 1 ) 选材的判据有误。对于每种失效模式来说，均存在着特定的材料判据，即 材料的特定性能指标。除此之外，还应权衡材料的成本、工艺性及工作寿 命等因素，在选材时要进行全面考虑。目前并无通用的选材规则，多数情 况下是凭经验进行选材。但对于特定的失效模式、载荷类型、应力状态及 工作温度、介质等情况，有些规则是不能违背的，例如：对于脆性断裂， 其选材的通用判据应是材料的韧脆转变温度、缺口韧性及k l c 韧度值。对 于韧性金属的韧性断裂，其通用判据应是抗拉强度及剪切屈服强度。对于 高周疲劳断裂，应以有典型应力集中源存在时的预期寿命的疲劳强度为其 选材判据。对于应力腐蚀开裂，选材的判据应是材料对介质的腐蚀抗力及 j 魄c c 等。对于蠕变，应以在对应的工作温度和设计寿命中的蠕变率或持久 强度为其选材判据。 ( 2 ) 材料中的缺陷。许多的失效都是由于材料本身存在缺陷引起的，内部的和 外部的缺陷起到缺口的作用而显著降低材料的承载能力。如铸件中冷隔、 夹杂、疏松、缩孔等，锻件中的折叠、接缝、空洞及锻造流线分布不合理 等，使裂纹在此处易于产生和扩展或成为易腐蚀的部位，焊接残余应力、 烧伤等缺陷也如此。 1 5 3 加工制造及装配中存在的问题 加工方法不正确、技术要求不合理及操作者失误也是引起设备过早失效的 重要原因。如冷变形、机械加工、焊接等产生的残余应力、微裂纹及表面损伤 6 等，常常是导致失效的内在原因。热处理不当也是常见的失效原因之一，常见 的有过热、回火不充分，加热速度过快及热处理方法选用不合理等。热处理过 程中的氧化脱碳、变形开裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要求等时有发 生。酸洗或电镀时，因材料的充氢而导致的氢损伤也是常见的失效形式、不文 明施工、不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残余应力、附加应力等， 都可以引起零件的早期失效。 1 5 4 不合理的服役条件 不合理的起动和停车、超速、过载服役、温度超过允许值、流速波动超过规 定范围以及异常介质的引入等都可能成为设备过早失效的根源【4 ，9 】 1 6 失效分析思路、方法和步骤 1 6 1 失效分析思路 一个具体的零件失效后，其表现形式一般为过量变形、表面损伤和断裂三种。 一般失效事件究其原因不外乎从操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺和管 理六方面去寻找。这就是国外一些重要失效事故分析和军事部门应用较多的 “5 m 1 e ”分析法。“5 m i e ”是指m a n ( 人) 、m a c h i n e ( 机器设备) 和m a t e r i a l s ( 材 料) 、m e t h o d ( 3 2 艺制作方法) 、m a n a g e m e n t ( 管理) 和e n v i r o n m e n t ( 环境条件) 1 1 0 。操作人员情况的分析主要指操作人员是否存在责任心不强、玩忽职守、主观 臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验和技术低劣等局限性。管理情况的分 析主要指的是分析管理情况是否存在缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅 助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的 维修保养制度等问题。对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。该方法分析的 思路较宽，不易丢失可能的因素，但工作量较大，一般实际应用时应有所侧重。 如果失效已确定纯属机械问题可以采用图1 1 思路和方法来从事失效分析工作 i t l 。 工况一 ( 受力、运动) 环境一 一材质 一结构 图1 1 失效分析思路图 1 6 2 失效分析的方法和步骤 机械构件在不同服役条件下失效的性质不同，分析顺序也有所变动，但失效 研究和分析的基本步骤一般包括： ( 1 ) 现场调查 7 握兰占差堡主里塞量兰些堡塞笺二皇堕宣 在防止事故进一步扩展的前提下，应力求保护现场不被破坏，如果必须改变 某些零件的位置，应先拍照或做出标记。详细调查破坏现场，查明事故发生的时 间、地点及失效过程。收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。直观检查失 效零件，观察整套设备装置或整个部件，对主要零部件的几何参量及装配间隙进 行技术参量复验。了解周围环境和失效装置各部件间的作用，找出失效对象的关 键部位，选取进步分析的试样，并注明位置及取样方法。询问目击者及其他有 关人员，了解相关情况，写出现场调查报告。 ( 2 ) 收集背景资料 a ) 设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期，设计参数及功能要 求等。 b ) 设备的运行记录，要特别注意载荷及其波动，温度变化，腐蚀介质等。 c ) 设备的维修和失效历史情况。 d ) 设计图样及说明书、装配程序说明书、使用维护说明书等。 e ) 材料选择及其依据。 f ) 设备主要零部件的生产流程。 g ) 设备服役前的经历。包括装配、包装、运输、储存、安装和调试等阶段。 h ) 质量检验报告及有关的规范和标准。 ( 3 ) 选择失效样品 对于失效原因的正确分析与判断，很大程度上依靠失效样品的正确选择和失 效样品的完整性，否则将会引起错误的结论。通常情况下，在机械构件上出现很 多裂纹时，在时间上形成残片是有先后顺序的，在很多残片中确定最早开裂的裂 纹即主裂纹或初始裂纹，选择原始裂纹所形成的断口样品，即选择最先开裂的部 位作为断口样品。 ( 4 ) 表征分析和方法 幻宏观检验 宏观观察是用肉眼、放大镜或体视显微镜( 1 0 0 倍以内) 等来观察分析失效 件和样品的宏观形貌特征，是微观分析的基础。通过宏观检验能揭示失效件的全 貌，显示其加工质量、组织的不均匀性、各种缺陷的形态和分布等，进行断口的 宏观分析，可判别断裂的类型、构件所承受的应力类型、环境介质、温度对构件 断裂的影响、变形程度及磨损情况，以及腐蚀物颜色、断裂裂纹的萌生位置、裂 纹的扩展方向等都能迅速而准确地识别出来。体视显微镜能帮助肉眼进一步确定 断裂源和裂纹走向，以及观察磨损或腐蚀情况。如要进行s e m 观察，可以首先用 体视显微镜找出重点观察部位，这样可以提高分析效率。 b ) 微观检验 8 握曼尘釜亟主里塞圭望些婆塞箜二至鱼童 常采用金相显微镜、扫描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 等进行微观检 验。金相显微镜可以判断加工工艺( 铸造、锻造、焊接、热处理、表面处理等) 不当或工艺路线不当造成的非正常组织或材料缺陷，对于金属材料，可以判断晶 粒大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、晶界的变化、夹杂物、疏松、裂 纹、脱碳或增碳等缺陷。特别应注意晶界是否有析出相腐蚀及其他变化。对于腐 蚀、氧化、表面加工硬化、裂纹特征，尤其是裂纹扩展方式( 穿晶或沿晶) 都可 以从金相检验得到可靠信息。对于断口的微观分析，可以进一步确定断裂的原因 及其断裂机理等详细情况。但金相显微镜分辨率低。s e m 不需特殊制样，能从 1 0 倍放大到十万倍，特别适合作断口上的定点观察，可以观察深孔底部的形貌， 这对观察气孔、疏松、气蚀的底部情况是唯一较好工具，s e m 不足之处是不能 分辨颜色和不能定结构。t e m 能区分s e m 不易区分的形貌细节，能确定第二相 的结构，但t e m 制样复杂。如s e m 和t e m 配有能谱仪( e d s ) ，还能测定第 二相的成分，是目前失效分析中最常用的微区成分分析仪器。 c ) 结构分析 在失效件上常有夹杂物、第二相、腐蚀产物或氧化物等析出或生成，它们对 构件失效尤其是沿晶断裂影响显著，因此，对这些产物或相进行结构分析，通常 使用x 射线衍射仪( x r d ) ，以确定其结构及其化学成分。x r d 主要应用于样 品的物相定性或定量、晶体结构分析、宏观应力或微观应力的测定、晶粒大小测 定和结晶度测定等红外及拉曼光谱都是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取 分子结构的信息。任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它 仪器分析方法难以做到的，红外光谱是有机化合物结构解析的重要手段之一。通 过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况，从而可以鉴别物质，分 析物质的性质。拉曼光谱不足之处在于，激光光源可能破坏样品，荧光性样品测 定一般不适用。本课题采用的红外光谱仪型号为p a r a g o n1 0 0 0 。 热分析是在程序温度控制下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。它 可以测定物质在熔融、相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发、升华等特定温度 下发生的能量和质量变化，常用的热分析仪有：差热分析仪( d t a ) 、差示扫描量 热仪( d s c ) 和热失重分析仪( t g a ) ，用于测定有机、无机物的热分析温度、重 量损失、熔点、热焓及相变温度等。广泛应用于各种物质的相转变与反应( 如玻 璃化转变温度、结晶熔融、脱水等) 。本课题采用t g a 辅助光谱分析来鉴定物 质结构。 d ) 化学成分分析 在失效分析中，常常对失效件材料、腐蚀产物、表面沉积物或其他外来物质， 甚至环境介质的化学成分进行常规的、局部的、表面的或微区的定性或定量分析， 9 以便为最终的失效分析结论提供依据。本课题采用光电直读光谱仪( 型号为a r l 4 4 6 0 ) 、e d s 、红外碳硫分析仪( 型号为l e c o c s6 0 0 ) 和n h o 分析仪( 型号为 l e c ot c h6 0 0 ) 来检测材质的化学成分和表面沉积物成分。光电直读光谱仪的 试样不需处理，可以同时对十几种元素进行定量分析，准确度较高，但检测非金 属元素灵敏度低。红外碳硫分析仪和n h o 分析仪可以针对c 、s 、n 、h 和o 元素 作精确分析。局部或微区成分分析可采用e d s 、电子探针、离子探针、俄歇电子 能谱仪等仪器来检测样品表面沉积物、腐蚀产物、表面化学元素组成、化学成分 的局部偏析、微量及痕量元素等。原子吸收光谱仪( a a s ) 是根据蒸气相中待测 元素的基态原子对其共振辐射的吸收强度来测定试样中该元素的含量，它能分析 元素周期表中绝大多数的金属与非金属元素，在测定痕量和超痕量元素方面有较 大优势。x 射线荧光光谱仪( 强) 可以对样品作无机元素的定性定量分析，对 分析样品要求低，固体块状、粉状和金属等都可直接分析，而不需要溶样，分析 速度快，不损坏样品，但只适用于原子序数大于1 0 的元素的检测。本课题应用的 是瑞士a p l9 8 0 0 x p 型x 射线荧光光谱仪。 e ) 力学性能测试 材料的力学性能是材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，如果材料对 变形和断裂的抗力与服役条件不相适应。构件便会失效。对一些发生断裂或变形 的构件，需重新测量材料的力学性能，作进一步的强度校核，以确定材料强度以 及热处理等是否符合原设计要求，失效是否由于力学性能因素所致。材料的力学 性能测试包括常规力学性能测试( 如硬度试验、拉伸试验、冲击试验等) 和特殊 力学性能测试( 如疲劳试验，断裂力学试验等) 。 f ) 无损检测 无损检测( d n t ) 在不改变材料或构件的形状和性能( 含力学性能和化学性 能) 的条件下，对其表面或内部各种缺陷( 如裂纹、疏松、气孔、夹渣等) 的性 质、大小数量、位置和取向等做出定性或定量的测试评定，进而分析缺陷的危害 程度。主要) t 方法有超声探伤法、射线探伤法、涡流探伤法、磁粉探伤法、渗 透探伤法和声发射探伤法等【1 2 - 1 6 1 。 ( 5 ) 综合分析归纳，推理判断提出初步结论 根据失效现场获得的信息、背景资料及各种实测数据，运用材料学、机械学、 管理学及统计学等方面的