《材料成型检测技术》课件-7.综合失效分析

《材料成型检测技术》案例1—焊管失效分析CONTENTS目录01背景介绍02试验方法03试验过程与结果04结论及建议背景介绍PARTONE（一）12Cr1MoVG合金钢管一、背景介绍12Cr1MoVG合金钢管是一种广泛应用于化工工业、石油化工冶金等领域的关键材料。由于其良好的耐高温、耐高压以及耐腐蚀性能，它常被用于制造各种工业管道、化工管道、石油管道等。特别是在电站锅炉中，被广泛应用于过热器、再热器等关键部位，其性能的稳定性和可靠性直接关系到整个锅炉的安全运行。一、背景介绍a)壁厚方向b)焊缝表面a)粗晶区b)细晶区图1主蒸汽管道裂纹处宏观形貌图3裂纹处SEM形貌01失效形式：焊缝开裂、管道破裂、变形等。02导致设备的停机维修，增加生产成本，可能引发安全事故，对人员和环境造成威胁。03因此对12Cr1MoVG焊管失效进行深入研究，并提出相应的预防措施，对于保障设备的安全运行、提高生产效率具有重要意义。试验方法PARTTWO0201二、试验方法对某12Cr1MoVG管道在工作144小时后焊缝处出现周向裂纹进行相关失效分析。管件使用环境：管内100℃~144℃的二元盐（硝酸钠45%和硝酸钾55%）水溶液，管外100℃~400℃烟气。通过对焊管焊缝裂纹表面宏观及微观形貌、断口和腐蚀产物分析、金相和硬度检测等，研究裂纹性质和开裂原因。试验过程与结果PARTTHREE（一）焊缝内外壁裂纹处形貌三、试验方法与过程观察内外壁焊缝裂纹附近表面，外壁整体呈严重腐蚀的红褐色，表面覆盖有较厚的腐蚀产物；内壁焊缝处褐色腐蚀产物较厚，焊缝未焊透，有错边，裂纹位置焊缝余高略高于周围焊缝，有补焊痕迹。内壁表面与外壁相比腐蚀程度较轻，局部有红褐色锈斑。焊缝外壁表面焊缝内壁表面（二）断口形貌分析三、试验方法与过程宏观断口可见撕裂棱线收敛于外壁表面，呈点源、多源特征，可知裂纹起源于外壁。内壁近表面可见多处未焊透区域。（二）断口形貌分析三、试验方法与过程观察断口的微观形貌，将源区放大可见裂纹均起源于外壁表面点蚀坑，近表面和扩展区可见沿晶开裂特征，晶粒较为粗大。裂纹源1及附近扩展区微观形貌裂纹源2及附近扩展区微观形貌裂纹源3及附近扩展区微观形貌（三）管件内外壁形貌及能谱分析三、试验方法与过程将焊缝裂纹内外壁腐蚀产物进行能谱分析：均含有大量的Fe和O元素；针对Mn、P、S元素含量的分布：外壁明显更多，外壁腐蚀产物均含有P、S，而内壁则不含P、S。外壁内壁（四）断口形貌及能谱分析三、试验方法与过程裂纹经过拉断获得断口，断面腐蚀严重，呈红褐色。断口拉断处有明显的塑性变形，呈灰白色。宏观断口在扫描电镜中观察：断口表面覆盖有较厚的腐蚀产物。与内外壁表面腐蚀产物成分相比，均含有大量的Fe和O元素，针对Mn、P、S元素含量的分布：外壁和断面处腐蚀产物均含有S，而内壁则不含P、S。断面形貌及能谱分析人工断口为过载断裂的韧窝形貌。人工断口（五）金相分析三、试验方法与过程裂纹金相取样位置沿白色虚线方向取样，制备焊缝金相截面试样并观察，焊缝未见气孔和未熔合，内壁侧有未焊透部分，低倍可见焊缝晶粒粗大。（五）金相分析三、试验方法与过程按标准GB/T10561-2005，在焊缝和母材中均见1级D类夹杂。焊缝组织粗大，按GB/T6394-2017评定焊缝组织晶粒度为2.0级。非金属夹杂评级焊缝显微组织母材显微组织（五）金相分析三、试验方法与过程热影响区组织为铁素体+珠光体+贝氏体；母材组织为铁素体+珠光体，按GB/T6394-2017评定母材晶粒度为8.0级。母材存在脱碳，内壁表面脱碳层厚度约0.35mm，外壁表面脱碳层厚度约0.20mm。热影响区显微组织母材显微组织内表面脱碳层外表面脱碳层（五）金相分析三、试验方法与过程断面沿白色虚线方向取样，制备金相截面试样并观察。开裂部位近表面仍存在微观裂纹，裂纹沿晶界分布，存在多处分叉现象，末端尖锐。腐蚀态抛光态（五）金相分析三、试验方法与过程开裂部位近表面仍存在微观裂纹，裂纹沿晶界分布，存在多处分叉现象，末端尖锐。断口近表面组织为粒状贝氏体+块状铁素体+少量沿晶界分布的条状铁素体，晶粒较为粗大。抛光态腐蚀态断口近表面形貌（六）硬度及残余应力检测三、试验方法与过程对管道的焊缝、热影响区、母材进行硬度HV0.2检测，其中，母材区域硬度最低，焊缝硬度最高。另外，对焊缝断裂处进行残余应力测试，结果显示焊缝断裂处为205.32±25.1MPa，为明显的拉应力。显微硬度HV0.2结果结论及建议PARTFOUR四、结论及建议01裂纹起源于外壁点蚀区，从管道焊缝的外壁萌生，沿径向向内壁扩展，断面垂直于管件轴向,源区和断面附近的微观裂纹均可见沿晶界开裂特征，晶粒尺寸较为粗大。管件内外壁和断面腐蚀产物基本一致，主要为Fe和O元素。02焊缝外壁近表面存在较多点蚀坑，焊缝未见孔穴及未融合，内壁侧有未焊透部分，存在错边，低倍可见焊缝晶粒粗大。开裂部位近表面仍存在微观裂纹，裂纹沿晶界分布，存在多处分叉现象，末端尖锐，裂纹性质为应力腐蚀开裂。03根据国内外焊管焊缝的使用经验，如规范焊接工艺，焊后对焊缝进行去应力处理等，可有效避免类似失效事件的再次发生。《材料成型检测技术》案例2--钢板开裂原因分析CONTENTS目录01背景介绍02实验方法03实验过程背景介绍PARTONE（一）N08028板材背景介绍01.N08028合金板材一、背景介绍N08028合金板材在能源领域，海洋工程，等方面都有广泛的应用，该材料具有超低碳铁镍基特性，以及耐腐蚀性能，特别适用在严苛腐蚀环境下长期工作。（一）N08028板材背景介绍02.来样备注一、背景介绍板材工艺流程为：真空感应熔炼→电渣重熔→锻造→板坯修磨→热轧→固溶（室温下随炉升温至1130℃保温30分钟水冷）→校平→固溶→校平→切边→酸洗→卷板（开裂）。板材制作过程中至固溶均正常，固溶入水后弯曲不平比较严重，经两次校平仍未完全校平。板材在卷制过程中出现裂纹。实验方法PARTTWO二、实验方法分析内容实验方法宏观形貌观察肉眼和放大镜微观形貌观察JB/T6842-1993《扫描电子显微镜试验方法》形貌观察GB/T17359-2012《微束分析

能谱法定量分析》化学成分分析P：NACIS/CH011:2013;Cr:MACIS/CH116:2013;S,C:ASTME1019-2011;Cu,Mo,Mn:NACIS/CH008:2013;Si:NACIS/CH009:2013;Ni:NACISH048:2013拉伸性能分析ASTME8M-04金相分析高倍组织GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》实验过程PARTTHREE三、实验过程（一）宏观形貌分析01.N08028板材试样宏观形貌如图所示可见，N08028板材垂直于轧向和卷板方向开裂，裂纹起始于一侧边缘，横向向另一侧边缘扩展。三、实验过程（一）宏观形貌分析02.取下后的断口宏观形貌如图断口平坦，呈灰色，起裂于卷板外侧边缘的角部，呈“人”字形向对侧及另一边缘扩展。断口边缘未见明显大尺寸塑性变形。三、实验过程（二）微观断口及能谱分析01.微观断口将取下后的断口经超声波清洗后在扫描电镜下观察。可见，起裂源位于卷板外侧边缘角部。该处为张应力最大位置，起裂源区存在挤压变形，源区及扩展区断口均为准解理断口形貌，未见大尺寸夹杂物及其他异常材料。三、实验过程（二）微观断口及能谱分析02.能谱分析经能谱分析显示，主要为Fe、Cr、Ni、Mo、C等元素。部分位置表面存在Al元素嵌入。三、实验过程（三）材料化学成分分析从板材上取样进行化学成分分析，结果见表所示。表中同时给出了ASTMB709-17中N08028的化学成分规范要求。可见，板材的化学成分满足规范要求。化学成分分析结果（Wt%）CSiMnPSCrNiMoCu板材0.00050.321.040.0270.000527.2431.83.420.91N08028≤0.030≤1.00≤2.50≤0.030≤0.03026.0~28.030.0~34.03.0~4.00.6~1.4三、实验过程（四）材料力学性能测试从板材裂纹附近、远离开裂位置制取板状拉伸试样，进行材料力学性能测试。可见，两位置试样抗拉强度及规定塑性延伸强度均符合标准规范要求，但断后伸长率均远低于规范要求。抗拉强度Rm（MPa）规定塑性延伸强度Rp0.2（MPa）断后伸长率A（%）送检开裂板材9855825.5远离裂纹位置77438625.0开裂钢板固溶处理65631045.0固溶试样64031442.0N08028的标准规范要求≥500≥214≥40三、实验过程（五）剖面金相分析从裂纹边部、远离裂纹位置及未卷板试样分别制取金相试样，经打磨抛光后在光学显微镜下观察，可见基体组织为奥氏体+析出相组织，碳化物沿晶界析出，源区、裂纹周围及未卷板组织未见明显区别。源区裂纹位置01.三、实验过程（五）剖面金相分析从裂纹边部、远离裂纹位置及未卷板试样分别制取金相试样，经打磨抛光后在光学显微镜下观察，可见基体组织为奥氏体+析出相组织，碳化物沿晶界析出，源区、裂纹周围及未卷板组织未见明显区别。未卷板试样01.从板材上取样进行1130℃固溶处理，固溶处理后的试样经打磨抛光腐蚀后在光学显微镜下观察，为孪晶奥氏体组织，材料中析出相很少。02.三、实验过程（五）剖面金相分析三、实验过程（五）剖面金相分析03.检验非金属夹杂物制取纵截面金相试样，检验非金属夹杂物。式样原号非金属夹杂物（级）ABCDDS粗细粗细粗细粗细送检板材00000000.50非金属夹杂物检验结果讨论01.送检N08028板材的化学成分，抗拉强度和塑性延伸强度均满足规范要求，但断后伸长率远低于规范要求。讨论02.钢板开裂位置金相组织与其它位置无明显差异也未见其它异常缺陷，不过开裂钢板组织整体形态与正常固溶处理状态组织有显著差异，表明钢板卷板前的固溶处理工艺存在问题。总结钢板在较硬且脆的状态下进行卷制，材料由于塑性变形能力不足，发生了脆性开裂。钢板卷板前固溶处理不当是导致其开裂的主要原因。《材料成型检测技术》案例3--热煨弯管开裂原因分析CONTENTS目录01背景介绍02试验过程与结果03讨论分析04结论及建议背景介绍PARTONE（一）L360N热煨弯管一、背景介绍弯管是油气管道关键部件，因结构特殊常承受复杂应力与苛刻工况，失效风险高，失效原因多样，危害大，研究其失效与预防很重要。热煨弯管由特定工艺制成，本文分析的L360N材质、3PE防腐层弯管，运行2年6个月后发生天然气开裂泄漏。01失效风险：承受复杂应力状态和苛刻工况环境，失效可能导致严重事故。02研究目的：通过科学的分析方法，找出L360N热煨弯管开裂的根本原因，为预防类似事故提供依据。（一）L360N热煨弯管一、背景介绍试验过程与结果PARTTWO（一）宏观分析二、试验过程与结果图1宏观形貌宏观形貌弯管外表面氧化腐蚀严重，裂纹沿纵向分布，内表面呈红色或褐色。裂纹特征裂纹部分位置存在弯曲，沿管件纵向扩展，断口表面氧化腐蚀严重。起裂源断口上存在多处起裂源，均从内壁斜向外壁扩展。（a）宏观形貌（b）裂纹局部形貌（一）宏观分析二、试验过程与结果图1宏观形貌宏观形貌弯管外表面氧化腐蚀严重，裂纹沿纵向分布，内表面呈红色或褐色。裂纹特征裂纹部分位置存在弯曲，沿管件纵向扩展，断口表面氧化腐蚀严重。起裂源断口上存在多处起裂源，均从内壁斜向外壁扩展。（f）断口形貌（e）断口形貌（c）张开裂纹形貌（d）内壁形貌（二）微观分析二、试验过程与结果图2微观形貌扫描电镜观察断口表面覆盖一层较厚氧化腐蚀产物，部分位置呈瘤状。能谱分析氧化腐蚀产物主要为Fe、O、C、Mn、S和Si等元素。酸洗后形貌主要为沿晶断口形貌。（a）原始断口形貌（b）原始断口形貌（c）能谱检测位置（二）微观分析二、试验过程与结果图2微观形貌扫描电镜观察断口表面覆盖一层较厚氧化腐蚀产物，部分位置呈瘤状。能谱分析氧化腐蚀产物主要为Fe、O、C、Mn、S和Si等元素。酸洗后形貌主要为沿晶断口形貌。（d）能谱谱线（e）酸洗后断口形貌（f）酸洗后断口形（三）金相组织分析二、试验过程与结果裂纹位置存在多条垂直于断口的微裂纹，呈沿晶形态扩展。腐蚀坑内壁存在多处腐蚀坑，部分腐蚀坑底部可见延伸向基体的微裂纹。组织形貌裂纹位置为马氏体组织，未开裂位置为马氏体+魏氏组织，直管位置为铁素体+珠光体组织。图3金相组织形貌（a）裂纹位置组织形貌（b）弯管内壁位置形貌（c）能谱检测位置（三）金相组织分析二、试验过程与结果裂纹位置存在多条垂直于断口的微裂纹，呈沿晶形态扩展。腐蚀坑内壁存在多处腐蚀坑，部分腐蚀坑底部可见延伸向基体的微裂纹。组织形貌裂纹位置为马氏体组织，未开裂位置为马氏体+魏氏组织，直管位置为铁素体+珠光体组织。图3金相组织形貌（d）能谱谱线（e）裂纹位置组织形貌（f）裂纹位置组织形貌（三）金相组织分析二、试验过程与结果裂纹位置存在多条垂直于断口的微裂纹，呈沿晶形态扩展。腐蚀坑内壁存在多处腐蚀坑，部分腐蚀坑底部可见延伸向基体的微裂纹。组织形貌裂纹位置为马氏体组织，未开裂位置为马氏体+魏氏组织，直管位置为铁素体+珠光体组织。图3金相组织形貌（g）弯管为开裂位置组织形貌（h）弯管未开裂位置组织形貌（i）直管内壁形貌（j）直管基体组织形貌（四）化学成分分析二、试验过程与结果

CSiMnPSCrNiCu热煨弯管0.160.321.250.0170.00570.0780.0330.0082L360N≤0.24≤0.45≤1.40≤0.025≤0.015≤0.30≤0.30≤0.50

VNbTiMoBCEⅡWCEpcm—热煨弯管0.040.00240.0040＜0.0020.00030.390.24—L360N≤0.10≤0.05≤0.04≤0.15—≤0.43≤0.25—化学成分：材料各元素含量均满足GB/T9711-2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》中L360N的化学成分的规范要求。表1

化学成分分析结果（质量分数，%）（五）力学性能分析二、试验过程与结果表2送检钢管拉伸试验结果