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1、常见金属失效分析前言：一、失效是按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。失效分析预测和预防是使失败转化为成功的科学，是产品和装备安全可靠运行的保证，是提高产品质量的重要途径，是科学进步的强有力杠杆，是许多重大法律，法规、及技术标准制定的依据。它着眼于整个失效系统工程的分析。其意义及作用在于：（1） 、失效分析可减少和预防产品和装备同类失效现象的重复发生，从而减少经济损失或提高产品质量。（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的重要基础技术工作，是产品全面质量管理中的重要组成部份和关健技术环节。（3） 、失效分析
2、可分为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。（4） 、失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制定产品质量标准等提供可靠科学技术依据。（5） 、失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。二、在现实生产实践和应用中常见的失效有变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。主题：一、ZM6 尾减机匣开裂失效分析结论：( 1 )尾减机匣的裂纹性质为低周疲劳裂纹 。( 2 )机匣表面 Nd 元素偏析是导致机匣疲劳裂纹形成的直接原因 ，材料韧性不足，一定程度上促进了断裂纹的疲劳扩展。( 3 )对尾减机匣表面采用机械抛光、喷丸处理或滚压强化等表
3、面强化工艺，可达到提高表面质量及强度的目的。二、6OPQF 连轧管机组穿孔机十字轴失效分析与再制造结论：(1) 、基于谱峭度法和自适应遗传算法的包络分析法是实际可行的，它能够适应工况下滚动轴承的故障诊断。 (2)、与基于时频分析的谱峭度法相比，加入由谱峭度法得到的滤波器先验参数而设计的谱 峭度法和自适应遗传算法的包络分析法，能够进一步优化带通滤波器， 提高滤波后信号的谱峭度，从而更好地诊断滚动轴承的故障。另外，还进行了基于谱峭度法和基本遗传算法的包络分析法研究，经比较，基于谱峭度法和自塑鎏警苎率的影响，优化效果更好，速度更快，并且降低了对硬件的要求。 结论： 分析了 4 4 6 0 P Q F
4、 连轧管机组锥形辊穿孔机十字轴轴承主要零件的失效形式以及造成失效的原因，针对具体的零件提出其再制造方案。值得注意的是， 失效形式与原机的设计紧密相关，不同的失效形式对应的再制造方案是不同的，以上仅仅讨论具体工况条件以及确定检修周期之下的再制造方案及其过程。 三、大型感应淬火铸钢齿轮异常断裂失效分析结论： 被分析齿轮其断裂根本原因是在低温环境下，铸钢材料处于冷脆状态，局部加热温度过高、速度过快，热应力迅速增高至数倍于材料极限应力，并形成热冲击力，造成构件的突然胀裂。另外大型铸钢件内部存在的晶粒粗大、疏松、夹杂以及磷偏析等铸造缺陷，虽然没有超标， 但在异常情况下易于在缺陷处形成应力集中从而形成初始
5、裂纹。建议大型铸钢件齿轮热装采用油槽整体加热方法，冷油时将齿轮没人槽内，缓慢加热，油温不超过 150oC，保温直到内孔尺寸满足装配要求。采用这种加热方式装配大型铸钢齿轮，再没有发生过类似的事故，正常运行寿命均超过 5 年。四、混凝土输送管失效分析及改进工艺研究结论：（1） 、成分和显微组织观察及显微硬度分析得知，B 管选材比较合理，同时 B 管的细晶比 A 管的细小，由于焊接原因使得 A 管磨损端的晶粒粗大，是铁素体+珠光体组织，而 B 管的板条马氏体组织使得 B 管的硬度高，耐磨性好。（2） 、经电火花沉积及堆焊处理后，输送管表面组织细小均匀，且表层至材料心部，晶粒有一个由小到大的过渡。因此
6、，经电火花沉积及堆焊处理后输送管的表层耐磨性得到较大的提高。五、冷床同步缸的断裂失效分析故障现象及原因分析：值班人员巡检时发现同步缸发生大喷油，紧急停泵后，发现其第 4缸与第 5 缸的 8 个法兰连接螺栓断 7 个。出现事故后，我们即刻着手进行紧急处理和原因分析，首先从联接螺栓的强度方面着手，查看螺栓的断裂面，没有质量问题。然后再检验 8 个螺栓的强度设 计，8 个 8 级 M30 的联接螺栓其许用拉力约为 8 8 t 左右，而在正常工作时同步缸中间连接法兰的最大受力可简单地计算为：F=28.4 t ；式中为同步油缸的工作面积，缸径杆径 250180 mm；p 为系统负载压力，约 l012MP
7、a。由此可知螺栓的强度是实际负荷的 3 倍以上，可以基本排除因螺栓原因而导致同步缸断裂。既然联接螺栓不存在问题，那么我们有从系统的超高压原因考虑了。同步缸因其各容腔的体积严格相等，且不存在内泄露，因而其同步精度较同步阀和同步马达都高，且不受负载力大小的影响。但因其工作条件比较严格，系统稍有小问题就可能破坏其同步性能，甚至在系统内部某处产生超高压，我们从现场仔细 检查，发现同步缸第 4 节和第 5 节控制的 2 个升降缸在冷床的最尾部，平时在工作中第五节控制的升降缸就一直存在着下降不能完全到位的现象，与其他升降缸相比大约有 l020 mm 的距离差。拆下此缸发现液压缸活塞与活塞杆配接的 0 形圈
8、有不同程度破损，说明缸内部有微量的内泄，从而导致液压缸不能完全下降到位，这是原因之一；其二，压溢流阀的调定压力可能过高，在下降过程中由于尾部缸的负载相对较小，也有可能使其下降不到位。 六、某井油管腐蚀原因分析结论： ( 1 ) 对该井油管的化学成分分析和金相观察表明，油管材料符合APISPEC5CT 标准要求。 ( 2 ) 对腐蚀特征 、腐蚀产物、不同井深的腐蚀形貌的分析表明，油管内壁腐蚀源于油管材料和含 CO2 的产出液相互作用造成的 CO2 腐蚀。内壁腐蚀穿孔后，腐蚀性的介质和气体由此进人套管和油管的环空造成七、汽车连接杆的失效分析结论：( 1 ) 型砂湿压强度、韧性低和砂型硬度低是浇注时
9、冲砂、铸件产生砂眼缺陷的主要原因。(2 ) 降低型砂中微粉和死粘土含量，提高混砂效率，保证渗匀时间，建立型砂与砂型质量控制体系，可提高型砂的综合性能。在此基础上保证造型冲击力，可获得满意的砂型硬度 。 同时采取减少铸件中砂子来源的其它工艺措施，可使砂眼缺陷降低 60 以上。八、锥形齿轮轮齿开裂失效分析结论：通过结构分析和 ANSYS 有限元分析对比柱帽处相关结构，得出柱帽处相关结构特点与受力特点。并可以进行一定的优化具体归纳为：( 1 ) 十字肋结构采取应与立柱和铅垂线夹角与载荷大小不同而长短不同 ( 2 ) 增大十字肋 中心部位的环形面积与过渡圆角以减小应力集中并提高强度。 ( 3 ) 十字
10、肋焊缝尽量不集中在中心处，可以分散到两端。可考虑十字肋整体铸造成型。 ( 4 ) 加强板与弯板之间要保证一定间隙，并可以增加塞焊孔九、超( 起) 临界锅炉管用材料的缺陷和失效分析结论 ( 1 )P91、P92 钢主蒸汽管道和联箱埋弧焊焊缝的表面小裂纹主要是焊接工艺及焊后热处理不当所致。 ( 2 )铁素体耐热钢和奥氏体 不锈耐热钢管在运行过程中向火侧内表面氧化并且氧化皮脱落严重，造成堵塞引发超温导致爆管 。 ( 3 )管弯头由于加工的原 因，造成通流面积减小，管壁温度上升，引起超温爆管。 ( 4 )T91、T92 钢锅炉管主要是过热引起的爆管。 十、高温烟气膨胀节爆裂原因分析与对策4 膨胀节爆裂
11、失效原因分析 ( 1 ) 平衡段波纹管和工作段波纹管存在明显冷作硬化，材料延伸率较低，而平衡段波纹管性能比工作段波纹管差。硬化后 Incoloy 800对应力腐蚀更为敏感，此时平衡段波纹管铁磁相含量也高于工作段波纹管。这是产生平衡段波纹管应力腐蚀开裂的直接原因。 ( 2 ) 波纹管制造与成形过程中，存在残余拉应力，加上波纹管壁厚2mm 满足不了强度要求， 且平衡段波纹管运行过程中的工作应力也大于工作段波纹管的工作应力，这是加速平衡段波纹管爆裂和产生应力腐蚀开裂的内在因素。 ( 3 ) 高温烟气中含有硫化物、氯化物，还有衍生的亚硫酸等，操作温度高，环境恶劣，有害离子在波纹管内浓缩、富集，加上操作
12、温度波动较大( 或开停车) 都可能导致波纹管处于瞬时低温区，造成烟气中蒸汽冷凝，引发应力腐蚀开裂。这是平衡段波纹管发生应力腐蚀开裂的环境( 介质) 因素。因此，在平衡段波纹管的波峰处产生应力腐蚀裂纹( 内壁局部可见明显的陈旧性断面) 并不断扩展，当某处综合应力达到并超过波纹管材料强度极限时，则 即刻发生爆裂。从平衡段波纹管爆裂碎片多为波峰环向断裂截面也证实起爆点在波峰。 十一、离心设备用行星齿轮箱的失效分析 结论 行星齿轮箱采用滑动轴承支承，P 值、pv 值和 v 值对齿轮箱的有效润滑起到至关紧要的作用，必须在设计中加以重视。实践中较为可行的是在行星齿轮参数确定之后，根据推荐的经验值确定滑动轴
13、承的直径和轴承间隙。该行星齿轮箱的成功改进，为同类设备在线正常运行积累了经验。 十二、牙 轮 失 效 分 析 研 究 结论 某公司生产的 20Ni Mo 牙轮失效的原因及建议 ： 1 ) 牙轮失效的主要原因是渗碳及渗碳后淬火工艺不当， 造成牙轮基体上下组织不均匀( 主要是带状组织、铁素体等)，使牙轮的综合机械性能下降 2 ) 渗碳层内部出现黑色组织造成渗碳层疲劳性能下降 3 ) 硫化物等非金属夹杂物在晶界上偏聚也促进了裂纹快速形成及沿晶界扩展 4 ) 建议对样品在渗碳后，关闭渗碳源保温一段时间后再取出，适当提高淬火温度和延长保温时间，以免造成样品内部组织差异 5 ) 严格控制牙轮心部硬度和冷热
14、加工中产生的原始裂纹，并提高钻井人员操作水平，避免或减少人为因素引起的牙轮失效 十三、34CrMo 汽轮机主轴断裂失效分析结论:A1/316L 爆炸焊接双金属复合板界面上存在着不连续的新生化合物层,此层是由(Cr,Fe)Al 等化合物组成的混合组织,有一定的结合强度,弯折试验显示两种金属同时断裂.(2)、灰色处是以金属化合物的形式分布在界面上，宽度是 520 微米。区域边缘和中间铝的含量有所变化，铝有扩散。（3） 、焊缝区的硬度高于各自铝板和 316L 板的硬度。十四、ZznAID4-0.5 锌合金连接件断裂失效分析结论：（1） 、断口扫描电镜观察表明，ZznAID4-0.5 连接件断裂口以准
15、确解理断裂和延性延晶断裂为主。（2） 、由于连接件长期处于腐蚀性介质环境中工作，局部已经出现晶间腐蚀，且腐蚀区域中出现裂纹，EDX 分析显示 L 区存在大量氯离子，而且氯离子不断向心部渗透，使得连接件在工作状态下产生较强的应力腐蚀，裂纹从边部向中部扩展，合金有效承力面积减小,最终造成连接件出现断裂。总结：失效分析工作展望：（1） 、加速失效学体系的形成和发展在中国机械工程学会失效分析学会的组织下,我国机电装备失效分析预测预防实践和学术方面的重大进展之一,是促进和带动了一门交叉综合分支新兴学科失效学体系的形成和发展,从而使失效分析完成了从一门技术门类逐渐提高到一个分支学科的飞跃。这是当代科学技术
16、发展的结果,是我国几代失效分析工作者毕生为之奋斗的目标,它将对我国机电装备失效分析预防工作产生深远的影响和作用。失效学是研究机电装备(系统、设备和元器件) 的失效分析诊断(简称失效诊断)、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的分支学科。它的产生是有其近代科学技术进步的深刻背景的。可以认为,近代材料科学和工程、工程力学、断裂力学等学科对断裂、腐蚀、磨损及其复合型(或混合型)的失效模式和失效机理的深入研究,积累了相当丰富的创新观点、见解和物理模型,为失效学的建立奠定了理论基础;现代的检测仪器、仪表科学的迅猛发展,以及检测技术的不断提高,特别是断口、裂纹、痕迹分析技术体系的建立、发展和完善,为失效学的发展奠定了技术基础;数理统计学科的完善、模糊数学的突起、可靠性工程的发展应用和电子计算机的广泛普及,为失效学的完善奠定了方法基础。上述三者的融会贯通,使失效学逐渐建立、发展和完善成为一门相
