【精编】工程材料之过程装备失效与材料的关系

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1、 工程材料 海洋科学与技术学院贾非 DalianUniversityofTechnology 第6章过程装备失效与材料的关系 17 20 主要内容 17 20 金属材料常见失效形式及其判断变形时效断裂失效表面损伤过程装备及其构件失效的原因和失效分析过程装备及其构件失效的原因失效分析方法简介 金属材料常见失效形式及其判断装备在使用过程中 由于应力 时间 温度和环境介质等因素的作用 失去其原有功能的现象时有发生 这种丧失其规定功能的现象称为失效 过程装备失效存在着各种不同的情况 a 完全失去原有功能的现象是失效 b 装备性能劣化 不能完成指定的任务是失效 c 失去安全工作能力的情况也属于失效 需求

2、 弄清失效与材料间的关系 分析装备及构件失效的原因 措施 判断材料的失效形式 找出装备及构件的失效原因 进行失效分析 撰写总结报考 提出处理意见和安全防护的建议 过程装备及其构件的失效形式有过量变形 断裂及表面损伤三大类型 失效的原因可能是设计 选材 加工 安装或实际操作等环节的具体问题所引起 但材料是构成装备的物质基础 失效的具体现象却呈现在装备及其构件材料的宏观及微观的各种形貌及性能行为上 失效与材料密切相关 通过对失效材料的分析 可以找出装备及构件失效的原因 从而提出改进措施 100万吨加氢裂化装置 硫回收装置 聚乙烯造粒塔装置 乙烯输送管道 锈蚀 吉林石化爆炸现场 失效 材料丧失其规定

3、功能的现象 金属材料常见失效形式及其判断 失效类型 失效性质 变形失效 如果材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度 而致影响构件的规定功能 断裂失效 金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个或两个以上部分的现象 表面损伤 主要指腐蚀失效及磨损失效 变形失效 多是非灾难性的 弹性变形 塑性变形 塑性变形失效 主要是构件失效时 材料产生的塑性变形量超过允许的数值 产生过量的永久形变 过量的塑性变形使构件的承载截面积减小 降低承载能力 且塑性变形时金属内部组织结构发生变化 晶粒歪扭 亚晶结构形成 个别部位出现裂纹及扩展 材料过量的塑性变形会引起构件的歪扭 弯曲 薄壁壳的鼓胀及凹陷等变形特征 弹性变

4、形失效 失去了弹性功能 功能性失效 过量的弹性变形 过量弹性形变引起 在常温或温度不很高下的变形失效 在高温下的蠕变变形失效 金属材料在长时间恒温 恒应力作用下 应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形 这种现象称为蠕变 低温下蠕变也会发生 但只有当温度高于0 3T 以绝对温度表示的熔点 时才较显著 碳钢加热温度超过350 普通低合金钢温度超过400 时 要考虑蠕变的影响 当蠕变变形量超过规定的要求时 则称为蠕变变形失效 锅炉受热面管子及蒸汽管道由于实际操作的短期超温及长期超温 往往造成管子蠕胀及爆破 这是过量高温蠕变变形引起的普遍且典型的例子 变形失效的原因及改进措施 弹性变形失效 选择合适的材料

5、 如高弹性模量材料 改进结构 如增加承载面积 降低应力水平 匹配材料及设计 塑性变形失效 降低构件实际应力 选择高屈服强度材料和合适的热处理工艺规范 高温蠕变变形失效 选用抗蠕变性能合适的材料 防止装备中构件的超温 断裂失效 危害性较大 影响因素多 断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个或两个以上部分的现象 是在变形超过其塑性极限 完全分开 原子间结合力遭受破坏 断裂过程一般都经历三个阶段 即裂纹的萌生 裂纹的亚稳扩展及失稳扩展 最后是断裂 所有材料断裂后 在断裂部位都有匹配的两个断裂表面 称为断口 断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息 断裂是金属材料常见的失效形式之一 又是危害

6、性较大的失效形式 且工程中金属构件断裂的原因往往又不是单一的 而是几个因素共同作用的结果 系列冲击试验 厚壁容器韧性断裂外观 厚壁容器脆性断裂外观 韧性断裂失效 a 特征 断裂过程缓慢 塑性变形与裂纹成长同时进行 有明显的塑性变形 5 韧性断裂 断裂前产生显著宏观塑性变形的断裂 b 断口形态 宏观形态 纤维区 显著特征 多凹凸不平放射区 多呈放射状剪切唇区 断面平滑呈灰色 微观形态 多为韧窝及蛇形花样 韧断断口特征 断口 韧性断裂实物 断口韧窝的电镜照片 失效裂管照片图 裂纹断口的形貌 500 韧断的机理 韧断的机理 韧性断裂往往因材料受到较大的负荷或过载所引起 当材料所受的应力超过材料的屈服

7、强度后 材料便开始产生塑性变形 在材料内部的夹杂物 析出相 晶界 亚晶界或其它塑性流变不连续的地方发生位错塞积 产生了应力集中 进而开始形成显微孔洞 开始孔洞较少 而且相互隔离 随着应变的增加 显微孔洞不断增加 不断长大 孔洞间的壁厚不断减少 孔洞聚集相互连通 最终造成断裂 脆性断裂失效 a 特征 脆性断裂 断裂前没有发生 很少发生宏观可见的塑性变形的断裂 脆断承受的工作应力较低 通常不超过材料的屈服强度 甚至不超过许用应力 裂纹快速扩展 脆性断裂失效 b 断口形态 宏观形态 小刻面人字条纹或山形条纹 微观形态 解理台阶与河流花样 舌状花样 鱼骨状花样 脆性断裂的断口一般与正应力垂直 宏观表面

8、平齐 颜色光亮 脆断断口特征 脆断断口特征 始于裂纹源的放射条纹形似人字或山形 人字条纹矢形指向和山形条纹汇集方向为裂纹源 脆断机理 脆断的原因 1 应力状态与缺口效应 max max愈大 脆性断裂的可能性愈大 加载方式相同 材料本质不同 断裂方式不同 2 温度 工程上大量使用的碳素钢 低合金钢及高合金的铁素体钢 都有低温脆性 当温度在材料脆性转变温度以下时 材料的解理应力小于其屈服应力 材料的断裂由韧性断裂转为脆性断裂 脆性转变温度判据 韧脆转变温度 断口形貌转变温度 无塑性转变温度 脆断的原因 3 尺寸效应4 焊接质量焊接缺陷一般有 夹杂 气孔 未焊透和焊接裂纹等 而其中焊接残余应力与裂纹

9、的存在对焊接构件的断裂起着重要的作用 5 工作介质金属构件在腐蚀介质中 受应力 尤其拉应力 作用 同时又有电化学腐蚀时 极易导致早期脆性断裂 6 材料组织 脆断的原因 疲劳断裂的特征 原因 疲劳负荷是交变负荷 a 反向负荷 b 单向负荷 c 单向导前负荷 疲劳断裂 在交变载荷作用下 经过一定的周期后所发生的断裂 疲劳断裂的特征 构件疲劳断裂是在负荷经多次 如几十次或几百万次 循环以后才发生的 低周疲劳 断裂循环次数N 104的疲劳高周疲劳 断裂循环次数N 104的疲劳 微观认识上高周疲劳应力标称是弹性的 构件在破坏之前仅发生极小的总变形 低周疲劳应力往往大到足以使每个循环周期产生可观的塑性变形

10、 3 疲劳破坏只可能在有使材料分离扯开的交变拉伸 或挤压 和交变剪切应力的情况下出现 交变的纯压缩载荷不会出现疲劳破坏 压应力使裂纹闭合而不会使裂纹扩展 疲劳起源点往往出现在最大拉应力处 疲劳断裂的特征 疲劳断裂的特征 4 三个阶段 5 宏观上表现为脆性断裂 低周 高周 裂纹萌生 裂纹扩展 断裂 疲劳断裂的特征 疲劳断口宏观形态 疲劳源区 一般平整 多疲劳源区比较粗糙裂纹扩展区 疲劳弧线快速断裂区 视材料塑性而定 疲劳断口微观形态 疲劳辉纹轮胎压痕 疲劳断裂的原因及改进措施 表面状态 疲劳断裂多数起源于构件的表面 这是由于工作时表面应力最高 加上各类加工工艺程序难以确保表面加工质量而造成的 因

11、此 提高构件的表面加工质量及强化表面处理是提高构件疲劳抗力的重要途径 缺口效应与应力集中 在缺口的根部及其附近有高的峰值应力和形成应力集中区 缺口效应大大降低材料的疲劳强度 材料的抗拉强度愈高 缺口对疲劳强度削弱愈大 高强度材料削弱最严重 因此构件应避免应力集中 缺口结构设计一定要考虑疲劳断裂问题 避免选用缺口敏感的材料 残余应力 工艺制造上应避免残余拉应力的产生 使构件表面诱发产生残余压应力 如喷丸 滚压等 采取有效的焊后热处理以降低或消除焊后残余应力 材料本质 不同的材料有不同的疲劳抗力 一般可从疲劳强度与抗拉强度的比值 即疲劳比反映出来 中低强度钢疲劳比为0 5 灰口铸铁为0 42 球墨

12、铸铁为0 48 18 8铬镍奥氏体不锈钢为0 38 对于高强度钢 尽管抗拉强度大于1400MPa 疲劳强度也不超过700MPa 因此高强度钢容易引发疲劳裂纹 疲劳强度与抗拉强度之比不遵循线性关系 17 20 表面损伤 腐蚀与磨损 腐蚀腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使材料发生损坏或变质的现象 随着过程装备的大型化及向高压 高温 高流速开拓 材料的腐蚀更显严重 腐蚀造成的损失是巨大的 据统计 全球工业装备因腐蚀而产生的经济损失占全球生产总值的2 4 中国腐蚀经济损失占国民生产总值4 目前每年有30 的钢铁因腐蚀而报废 其中10 不能回收 在化工 石油 轻工 能源等行业中 约60 的装

13、备失效与腐蚀有关 腐蚀的危害 造成巨大的经济损失造成金属资源和能源的浪费造成设备的破坏事故阻碍新技术的发展 经济损失包括直接损失和间接损失 直接损失 指采用防护技术的费用和发生腐蚀破坏以后的维修 更换费用和劳务费用 间接损失 指设备发生腐蚀破坏造成停工 停产 跑 冒 滴 漏造成物料流失 腐蚀使产品污染 质量下降 设备效率降低 能耗增加 在计算壁厚时需增加腐蚀裕度 造成钢材浪费等 化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏 在化学腐蚀过程中不产生电流 如钢在高温下的氧化是通过化学反应而完成的 金属材料在不含水的有机溶剂中的反应也属于化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属表面与电解质因发生

14、电化学作用而产生的破坏 按电化学机理进行的腐蚀至少包含一个阳极反应和一个阴极反应 并以流过金属内部的电流和介质中的离子流联系在一起 金属材料在潮湿的空气 海水及电解质溶液中的腐蚀都属于电化学腐蚀 物理腐蚀是指金属材料由于单纯的物理作用所引起的材料恶化或损失 例如用来盛放熔融锌的钢容器 由于钢铁被液态锌所溶解 钢容器逐渐变薄了 近年来引起广泛关注的金属尘化 也是一种物理作用的高温气相腐蚀 金属尘化一般是指一些金属 如铁 镍 钴及其合金 在高温碳 碳氢 碳氧气体 环境下碎化为由金属碳化物 氧化物 金属和碳等组成的混合物而致金属损失的行为 由于金属尘化通常与金属材料的渗碳有关 而且腐蚀速度较快 所以

15、又称为灾难性渗碳腐蚀 按腐蚀形态 可把腐蚀分为全面腐蚀 均匀腐蚀 和局部腐蚀 均匀腐蚀在材料整个暴露表面上或者在大面积上产生程度基本相同的腐蚀称为均匀腐蚀 又称全面腐蚀 均匀腐蚀使材料厚度均匀减薄 承载能力逐渐下降而失效 如果构件设计时考虑足够的腐蚀裕度 则能在设计寿命内安全使用 局部腐蚀常见类型有点蚀 晶间腐蚀 应力腐蚀开裂 氢腐蚀和腐蚀疲劳等 而其中最常见又最危险的是应力腐蚀开裂 金属腐蚀破坏形式1 均匀腐蚀2 不均匀腐蚀3 选择性腐蚀4 斑状腐蚀5 溃疡腐蚀6 小孔腐蚀7 晶间腐蚀8 穿晶腐蚀9 表层下腐蚀 应力腐蚀破坏 拉应力与腐蚀介质联合作用发生开裂破坏 腐蚀疲劳 腐蚀介质与交变应力

16、或脉冲应力作用下产生的腐蚀 磨损腐蚀 摩擦副在腐蚀介质中产生的腐蚀 小孔腐蚀 腐蚀集中在某些活性点上 蚀孔直径等于或小于蚀孔深度 晶间腐蚀 腐蚀沿晶间进行 使晶粒间失去结合力 金属强度急剧降低 局部腐蚀分以下一些具体类型 缝隙腐蚀 发生在铆接 螺纹连接 焊接接头 密封垫片等缝隙处的腐蚀 电偶腐蚀 在电解液中 异种金属接触时 电位较正金属促使电位较负的金属加速其腐蚀 其它局部腐蚀 氢脆 选择性腐蚀 空泡腐蚀 丝状腐蚀等 晶间腐蚀 晶间腐蚀指腐蚀主要发生在金属材料的晶粒间界区 沿着晶界发展 即晶界区溶解速度远大于晶粒溶解速度 发生晶间腐蚀的电化学条件 1 晶粒和晶界区的组织不同 因而电化学性质存在显著差异 内因 2 晶粒和晶界的差异要在适当的环境下才能显露出来 外因 不锈钢的晶间腐蚀 敏化热处理不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理以后发生的 使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处理叫做敏化热处理 奥氏体不锈钢的敏化热处理范围为450 C 850 C 当奥氏体不锈钢在这个温度范围较长时间加热 如焊接 或缓慢冷却 就产生了晶间腐蚀敏感性 铁素体不锈钢的敏化温度在900 C以上 而在700 800