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1、一、化工机械的失效形式,43 疲劳断口的显微特征 疲劳断口的萌生区和疲劳扩展区，在电镜中放大至千倍(以致上万倍)时可以观察到的主要特征是“海滩状”的“疲劳辉纹”。图35151所示的4幅扫描电镜照片为疲劳断口中很典型的具有海滩状花样的疲劳辉纹。其形成机理和图35142所描述的原理一样，每一次载荷的交变便使裂纹向前扩展一个a的微量，这在断口上就留下一个微小裂纹前缘发生过塑性变形的痕迹。,一、化工机械的失效形式,不是所有金属材料的电子显微疲劳断口都有清晰整齐的海滩状辉纹。一般是铝合金和镍合金的疲劳辉纹十分清晰整齐；奥氏体不锈钢疲劳断口的疲劳辉纹也较清晰；而低合金钢，特别是强度较高的低合金钢这类铁素体
2、和珠光体类钢的辉纹往往很不清晰，这反映了晶体学结构的不同所造成的断口细观形貌的差别。有时甚至只在局部微区观察到“轮胎状”的花样，如图35151(d)所示，这也是疲劳辉纹。这往往是由于断口上的较硬质点在每次循环时又有切向位移而留下的压痕。,一、化工机械的失效形式,从图35142所示的疲劳裂纹扩展机理可知这种扩展是基于裂尖的塑性变形，属于韧性的扩展，因而通常是以穿晶方式扩展的。当疲劳裂纹扩展通过晶界而进入另一个晶粒时同样也会以穿晶方式扩展，其断裂面从宏观上看基本上与最大拉伸主应力相垂直。,一、化工机械的失效形式,由于金属为多晶体结构，在裂纹疲劳扩展过程中一般会受到晶粒结晶方位的取向、晶界及晶粒中第
3、二相质点等因素的影响，断口上的疲劳辉纹(亦即疲劳条带)不一定处在一个完整的平面上。如图35152所示，在不同高度的扩展台面之间不可避免地会出现台阶，这种台阶称之为疲劳斑片。在疲劳扩展过程中有时还会形成“二次裂纹”，这是裂纹生成的次生方向的小裂纹，在扫描电镜中观察疲劳断口时有时会观察到这种斑片和台阶。,一、化工机械的失效形式,一、化工机械的失效形式,进行疲劳断口鉴别时寻找疲劳辉纹(条带)是重要的依据，但应与一些高韧性钢的平行的滑移线相区别。不仅要依靠电子显微镜观察，同时应注重疲劳断口宏观特征分析，还要结合是否有交变载荷源存在，包括压力或其他来源的载荷的交变，也包括热载荷(温差)的交变。只有当各方
4、向的分析结果综合起来才能得出正确的结论。,一、化工机械的失效形式,需要说明的是，宏观上观察到断口上的“贝壳纹”不是电镜中的海滩状的疲劳辉纹，但两者有密切联系。宏观上的贝壳纹是交变载荷的应力幅值有明显变化时造成每次交变循环的扩展量变大或变小，因此贝壳纹处和两条贝壳纹之间区域放大后观察到的疲劳辉纹的密度会有较明显的区别。可以说只有在变载荷时才会形成宏观上的贝壳纹。,一、化工机械的失效形式,实际上由于每一循环就在断口上留下一条辉纹，因此可以从辉纹间测得的间距大体可以计算出疲劳扩展速率(da/dN)。疲劳裂纹萌生区的扩展速率极低，有时放大到上万倍时才可看到，也可能仍旧观察不到。,一、化工机械的失效形式
5、,44 疲劳断裂失效的预防 441 一般预防原则 预防疲劳失效(不论高周疲劳或低周疲劳)发生的一般原则是降低应力水平和减小应力集中。 应力水平主要是构件中的公称(名义)应力。该应力愈高则应力集中处的应力峰值也随之愈高，对疲劳失效自然不利。但不可能为追求低应力而将构件设计得厚而粗笨，只能控制在合理的水平。在按疲劳设计的S-N曲线设计时不要过于追求较高的应力以求得薄与轻。抗高周疲劳的零部件，由于应力幅低，可以采用较高强度和较高疲劳持久极限的材料。,一、化工机械的失效形式,减小构件的应力集中，实际上涉及结构设计、加工制造和原材料的冶金或轧制质量诸多方面。结构设计时应在结构尺寸有突变之处，如轴颈及台阶
6、处，尽量设计有较大过渡圆弧的圆角。制造时特别对高周疲劳的构件必须注意表面加工的光洁度，轴类零件的加工刀痕常常是疲劳裂纹的萌生之处。材料的内在质量如冶金时的夹渣、粗大的二次析出相、轧制材料的折叠缺陷都容易是疲劳裂纹的萌生之处。因此，按抗疲劳设计的零部件应采用质量优良的原材料。,一、化工机械的失效形式,442 压力容器低周疲劳失效的预防措施 (1)选用合适的抗疲劳材料 材料的低周疲劳破坏试验证实，低碳钢与碳锰钢等强度级别不高而塑性韧性较好的钢，具有较好的抗低周疲劳失效的能力。因此，用这类钢材制造容器、接管或作为接管根部的焊接材料较为合理。,一、化工机械的失效形式,(2)按分析设计规范进行设计 通常
7、没有疲劳失效可能的容器是按一次应力进行设计的。如果有交变载荷(压力或温度的交变)可能会导致容器某些区域发生低周疲劳失效的，则必须按以应力分析为基础的规范进行疲劳分析。其具体规定应参见美国ASME的锅炉压力容器规范第卷第二册或我国压力容器分析设计规范JB 4732。按这些规范进行设计要复杂得多，需要相应的计算机软件支持，但设计出的容器其可靠性要高得多。,一、化工机械的失效形式,设计中不单是应力分析是按疲劳设计曲线设计，还必须同时注意结构的抗疲劳性能，既要有最佳的低的应力集中系数，又要制造时力求方便(详见本手册上卷第11篇第9章)。,一、化工机械的失效形式,(3)制造和在役检验中应注意的问题 按疲
8、劳设计规范设计的压力容器，在制造中也应有更高的要求。原则是消除不应有的应力集中。特别是在原有应力集中的部位不得有材料内部及表面的缺陷，不得允许保留引弧坑和焊疤，一经发现必须打磨盘平滑或补焊填平后再修磨。接管根部的焊缝不仅要保证有较大的过渡圆角，而且要力求将圆角的表面修磨光滑。至于焊缝内更不允许有裂纹、未焊透及未熔合缺陷。即使气孔也会降低疲劳寿命。制造时必须作过细而严格的无损检测。为确保无损检测可靠性，一般不应将关键的焊缝设计成角焊缝，应改为对接焊缝，这既可保证焊接质量，也便于进行无损检测。,一、化工机械的失效形式,对在役的受交变载荷作用的压力容器，无论其是否已按疲劳设计规范设计，均必须按有关的
9、检验规程进行严格的定期检验。其中焊缝，尤其是接管根部或其他内外部受交变载荷作用的应力集中部位，应进行严格的检验，包括外观的检验和各种适宜的无损检测，其目的是检查是否出现裂纹。一经发现必须认真处理。,一、化工机械的失效形式,(4)预压应力处理 对承受交变载荷的构件表面(最容易形成表面疲劳裂纹的地方)预先施加压应力(如喷丸处理或表面滚压)，运行时零部件表面所承受的应力就会明显下降，同时将增加疲劳周次，也即提高了疲劳寿命。,一、化工机械的失效形式,(5)过载处理 对承受交变载荷的构件、且已发现有疲劳开裂时，可以采取比正常设计载荷高出1320倍的戴荷进行一次过载(超载)处理，所有国内外的试验均已证实这
10、可以将疲劳寿命提高好几倍。因为，在作过载处理时裂尖将产生一个比正常受载时更大的塑性区，卸载后将受到比正常受载荷卸载时更大的压缩虚力。一次超载后重又回复到正常加载，此时裂尖塑性区内的应力由于超载压应力的作用而要降低得多，从而大大降低了裂纹扩展推动力，致使扩展速率减慢，寿命可得到延长。只有当裂纹扩展到裂尖塑性区(正常载荷下的)的边缘达到或稍微超过超载时形成的大塑性区的边缘时，超载的影响才会消失，恢复到超载前应有扩展速率。但此时寿命已得到数倍的延长。这就是过载峰的延长寿命作用。,一、化工机械的失效形式,超载处理技术早期是由航空工业部门研究的，后经实践证明超载可以明显的延长寿命，故直到现在已成为航空部
11、门对飞机必须进行超载处理的规定。 对于已经发现有小的疲劳裂纹的容器进行超载试验，同样证明，可以数以倍计地增长寿命。超载只是使裂尖塑性区变大，不会使构件的其他部位产生屈服和材料硬化，所以对其他部位没有不利影响。,一、化工机械的失效形式,5 腐蚀失效 环境因素的广义概念应包括化学介质和温度两个方面。本节着重讨论化工设备所处的介质环境引起的腐蚀问题。有关金属材料的各种腐蚀原理和形态可详见本手册上卷第6篇，本节着重阐明腐蚀失效的特殊性。,一、化工机械的失效形式,结构上常用的金属材料均属多晶结构材料，晶粒间总存在着晶界。晶间腐蚀就是指晶界发生的腐蚀，包括晶界及其附近很窄的区域在内的区间发生的腐蚀。当腐蚀
12、介质对晶界区的腐蚀速度大大超过晶粒被腐蚀的速度时，则显现出晶间腐蚀。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,对晶间腐蚀问题的认识是随着奥氏体不锈钢的广泛应用和日益增多的这类腐蚀失效事故的发生而逐步发展的。20世纪30年代初已提出了能较好解释奥氏体不锈钢晶间腐蚀的晶界贫铬理论，至今仍为人们所认可。用于其他金属的类似理论也能较好地解释各自的晶间腐蚀问题。这类理论统称为贫乏理论。不过贫乏理论不是能解释所有晶间腐蚀问题的惟一理论。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,常见的奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要发生在焊接区，特别是母材的焊接热影响区宏观形态上表现为母材情况良好。因为，母材部分在轧制成
13、板材出厂之前已进行过固溶化处理，即从1000以上快速冷却，迅速越过850400碳化物(主要是Cr23C6)析出的敏感温度区间，晶界附近一般不可能再出现导致晶间腐蚀的贫铬区。但焊缝附近母材热影响区在焊接时不可能作固溶化处理，在其焊后缓慢冷却过程中本来被固溶的且呈过饱和状态的碳及碳化物，则有足够的时间在850400的敏化温度区间析出并向晶界迁移，从而在晶界附近则会出现贫铬区，于是有了产生晶间腐蚀的组织条件。减少焊缝发生晶间腐蚀情况的主要方法是采用含碳量很低的焊条焊丝，同时含有更能快速形成碳化物的铌、钛元素，以防止形成Cr23C6。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,减小奥氏体不锈钢材料晶
14、间腐蚀倾向的方法，过去主要依靠冶金时添加钛元素，使碳更优先与钛形成碳化钛，而减少碳与铬转变为碳化铬的机会。这就是过去习惯使用1Crl8Ni9Ti的原因。后来改用304和304L等不锈钢的原因。首先是尽可能降低钢中的碳含量，力求得到低碳甚至超低碳的奥氏体不锈钢。其次还可再添加铌和钛等更易形成碳化物的元素，于是出现了 321（即0Cr18Ni11Ti）等低碳含钛的奥氏体不锈钢。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,除上述固溶化处理可以大大改善晶间腐蚀倾向外，添加钛和铌的不锈钢还可用稳定化热处理来降低晶间腐蚀倾向。稳定化处理是将奥氏体不锈钢加热至900 让钛或铌首先与碳形成碳化物，于是就没有
15、可能再在晶界析出碳化铬和出现贫铬区。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,511 晶间腐蚀的金相检验 以奥氏体不锈钢为例，发生晶间腐蚀是由于在400850 的敏化温度范围内缓慢冷却时，在晶界析出Cr23C6碳化物相之后出现贫铬区，使晶界区的抗腐蚀能力明显下降。贫铬区的情况如图35153(a)所示，图(b)表示两个晶粒之间的晶界截面上，在介质作用下由表面向内被腐蚀的发展过程。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,经过一段时间之后，沿壁厚方向被腐蚀的晶界变化情况如图35154(b)所示。经固溶化热处理的奥氏体不锈钢的金相特征是晶界很细微，几乎找不到晶界上的析出（相，而晶粒内也几乎找
16、不到沉淀析出相，比较光洁见图35153(a)。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,在图(a)中被腐蚀的晶间上布满了腐蚀物。越接近表面，晶界的腐蚀物越多，晶界显得越粗。深度愈深时晶界逐步变细，直到晶界情况正常处便可显示和测得被晶间腐蚀的深度。发生晶间腐蚀后的剖面金相如图35155所示。,51 晶间腐蚀失效,5.1 晶间腐蚀,金属材料的应力腐蚀是在材质、介质和应力(主要是拉应力)三个因素的共同作用和耦合下才会发生。应力腐蚀的表现形态主要是形成不断扩展的裂纹，这是一种在应力作用下的局部腐蚀。,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (1)宏观形貌 用肉眼或借助放大镜观察这类裂纹，发现应力腐蚀裂纹宏观上具有多源、分叉、宏观总体走向与最大主应力基本相垂直等三大特征。,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (1)宏观形貌 用肉眼或借助放大镜观察这类裂纹，发现应力腐蚀裂纹宏观上具有多源、分叉、宏观总体走向与最大主应力基本相垂直等三大特征。,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌
