化工设备失效分析基础（PDF79页）

1化工设备失效分析基础2化工设备失效分析基础第一章失效分析概论第二章金属学及化工结构用钢的基本知识第三章断裂力学基本概念第四章焊接冶金基础第五章单调加载条件下的断裂与断口分析第六章金属的疲劳断裂第七章金属的氢损伤第八章金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂第九章金属的高温断裂3第一章失效分析概论★失效：不论是正常的或不正常的原因、自然的或人为的原因，导致其功能丧失或过度衰退而不能达到应有的水平。★失效事故的发生：过去有，现在有，将来有；★失效分析学科：近几十年的事。★化工机械和设备失效：造成的破坏和损失非常巨大。4第一节系统和零构件的失效和失效分析机械零件失效形位失效承载失效其它功能（声、光、电、磁、热等）失效变形过量损耗过量弹性的塑性的整体的局部的磨损腐蚀力学范围5★化工设备的失效多集中于断裂、变形过量、腐蚀、磨损等几个方面。★失效分析的目的：通过研究和分析失效的机制、失效的发生发展过程，找出导致失效的主导因素和可控因素，提出相应的对策，以达到防止失效或延缓失效以及分清责任等各种目的。6第二节致零构件失效的因素和失效模式材料成分制造工艺（如焊接、热处理）几何（形状、尺寸、同外载之取向关系）组织缺陷性能负荷（机械力）环境介质温度辐照应力各种形式的失效内因外因7失效常见模式：（1）变形过量包括：弹性变形和塑性变形;整体变形和局部变形;室温变形和高温变形;简单变形和失稳变形（2）磨损过量包括：磨粒磨损，粘着磨损，腐蚀磨损，微振磨损，冲击磨损等8（3）腐蚀失效包括：均匀腐蚀，局部腐蚀，缝隙腐蚀，点蚀；化学腐蚀，电化学腐蚀，物理腐蚀；大气腐蚀，海水腐蚀，土壤腐蚀；晶间腐蚀，应力腐蚀等9（4）断裂包括：过载断裂、疲劳断裂，应力腐蚀断裂，腐蚀疲劳断裂，氢致断裂，蠕变断裂、冲击断裂；脆性断裂，韧性断裂（5）工艺裂纹和其它缺陷（6）其它各种功能失效10失效种类可修复性：暂时失效和永久失效预防难度：突发性失效和渐近性失效前的使用寿命：早期（幼年期）失效、偶然（青壮年期）失效和耗损（衰老期）失效失效零件或设备类型：轴类、齿轮类、压力容器、锅炉等法律和责任：正常失效、产品本质缺陷失效、误用失效、意外失效等11失效分析分类失效分析的目的：责任分析和模式分析在产品制造和发展的不同阶段，有不同性质的失效分析现场失效分析工程失效分析事后分析、事中分析、事前分析12第四节失效分析的目的和意义（一）失效分析是正确地吸取教训，防止事故再发生的必由之路。（二）对于制造厂家而言，通过失效分析可以使产品达到功能、可靠，寿命、安全、经济、美观各个方面的统一。（三）失效分析是提高操作水平、管理水平和设备维修水平的需要。13（四）失效分析可以为企业乃至国家制定，修改各种规程、规范、标准、法规和某些决策提供依据。（五）失效分析为仲裁和执法提供客观依据。（六）失效分析能大大促进科学技术的发展。14第五节失效分析与设备管理(本节自学）15第六节断裂失效理化机制分析的方法和手段（一）有关材质方面1．成分分析2．金属的组织结构分析3．金属缺陷检查4，机械性能试验16（二）应力测试我们除了应当应用力学（工程力学，材料力学、断裂力学、弹性力学、塑性力学）的基本概念和一般公式来估计失效件的应力状态外，在一些较重要的分析中还不可避免地要进行应力的测定。17（三）介质分析（四）温度测量技术：（从略）（五）现象记录技术：包括摄影及测量、测绘等（六）断口学：在后面各章讨论（七）模拟试验技术（八）调查技术（九）统计分析法18第七节失效分析人员和组织失效分析涉及到固体物理、冶金学、金属学、材料学、物理学、化学、腐蚀学、力学（弹性力学、塑性力学、断裂力学）、机械设计、机械工艺学、热加工工艺学及可靠性数学等，因此，失效分析应由主管部门组织相关专业的人员共同完成。19第八节我国失效分析工作的发展与现状（本节自学）20第二章金属学及化工结构用钢的基础知识原子间的结合力（键）固体材料强度或抗断裂的性能和抗变形的性能常见的结合键共价键：非金属原子之间金属键：金属原子之间离子键：金属与非金属原子之间物质三态（固、液、气）的转变：分子（原子）热运动与分子（原子）结合力的相对平衡状态的转化。21物质结合力物质的熔点、强度、硬度图2-122第一节纯金属的晶体结构与结构缺陷金属和合金在一般情况下都是结晶体。晶体和非晶体之本质区别是什么？一、纯金属的晶体结构金属晶体点阵面心立方（图2—4）体心立方（图2—5）密排六方结构（图2—6）23晶胞中的原子数：致密度：462181874.062243443443333rrarVnvK24如：Al,γ-Fe,β-Co,Ni,Cu，Ag,Pt,Au25晶胞中的原子数：致密度：2181868.083343423423333rrarVnvK26如：Cr,α-Fe,β-Ti,W,Mo,Nb,V27晶胞中的原子数：致密度：63212611274.0633.123334623aarVnvK28如：Mg,α-Ti,α-Co,Zn29晶胞：从晶体点阵中切割出来的、能表征其结构的单元体。晶体也可以看成是密排的一层层原子面叠垛而成，图2-7、图2-8。30在晶体结构中，由结点组成的任一平面都代表晶体的原子平面，称为晶面。用晶面指数表示。图2-9。截距：m,n,plkhElEkEhpnm::::1:1:1E为m、n、p三数的最小公倍数，h、k、l均为简单的整数31在晶体结构中，任何一条穿过结点的直线方向都称为晶向。用晶向指数表示。图2-11。32二、金属晶体中的结构缺陷晶体中的结构缺陷点缺陷线缺陷面缺陷33（一）点缺陷金属晶体中的点缺陷：空位、间隙原子、自间隙原子（包括分位自间隙原子）等。由于热运动的存在，点缺陷处于不断活动之中，受温度、冷加工、辐照等影响。34（二）位错——线缺陷理想晶体的切变应力（图2-14）比实际晶体的屈服强度要高80到100倍，这是由于实际晶体中有线缺陷—位错。钢铁材料的理论强度约为14000MPa，直径为1～2μm的铁单晶体试棒可接近这个理论强度，而实际使用材料的最大强度只有2000MPa。35原子逐排逐排地移动，所需的能量就小得多，这种方式的移动叫做滑移。36位错类型刃形位错螺形位错3738位错的移动滑移攀移3940（三）面缺陷——界面及表面晶界：各个晶体交接的界面小角度晶界：两个晶体的取向差＜10～15o亚晶界：晶体点阵的取向有微小的不同通常，亚晶界及＜10°的小角度倾侧晶界可用位错模型来描述。4142孪晶界是一种特殊的晶界。如图2—24为面心立方晶体的孪晶晶界区。该晶界两边的原子处于镜面对称状态。界面上的全部原子同时处于两个晶体的点阵上，这叫做完全共格。43相界：不同相的两种晶体的交界面44第二节金属的变形与形变强化一、金属的弹性变形工程应力、工程应变、真应力及真应变之间的关系为：Se)1ln(),1(eS4546二、金属的塑性变形超过弹性极限后再加大载荷，金属就会产生塑性变形。塑性变形的机制，主要是位错的滑移，其次是孪生和扭折。47晶体中位错扫过滑移面一次就在晶体表面上出现一个柏氏矢量大小的台阶，即产生了塑性变形。表面的台阶常叫做滑移线。许多相对靠近的滑移线叫做滑移带（图2—29，图2—30）。4849最容易滑动的滑移面是原子最密集的面，最容易滑移的方向是原子最密集的方向。一个滑移面及其上的一个滑移方向，合称一个滑移系。例如面心立方的（111）、[110]和（111）、［101］，（111）、［011］为三个滑移系。面心立方的｛111｝、＜101＞共12个滑移系；体心立方的主滑移系｛110｝、＜111＞共12个，故它们都表现出良好的塑性。密排六方主滑移系｛0001｝＜1120＞只有三个，故塑性要差得多。50实际的金属，凝固下来就有许多位错；高温下的点缺陷经过扩散聚集也可能形成位错。所以实际金属的塑性滑移变形易于实现。形变会使晶体中的位错增多。例如充分退火的软金属中，位错的密度约：为105～108cm-2；经强烈塑性变形后可达1011～1012cm-2。51从推动滑移的应力来看，如图2—31所示，在与主应力成角的斜面（滑移面）上的OT方向（滑移方向）上的切应力：式中叫做取向因子。APAPcoscos5253不易发生滑移变形的（如六方结构的）金属，或者体心立方金属在低温下快速变形而不易发生滑移变形时，常发生孪生。54三、形变强化形变强化机制单滑移时取向因子减小不同滑移系的位错交割55不同滑移系的位错交替滑移，会发生相互交割，交割的结果可能是产生空位、间隙原子，使位错线上出现割阶或弯结。有的情况下（例如螺位错受交割）形成的割阶会成为位错线上的钉扎点（不易动）。钉扎点多即钉扎点间距L减小，则位错开动的临界阻力增大，金属变形所需的力增大，即出现形变强化。强烈变形时，位错会纠缠成非常复杂的组态。56形变强化的宏观规律表现在流变阶段。此时有规律:K和n均为材料常数。n叫硬化指数。n=0即为理想塑性材料，n=1为理想弹性材料。一般金属n=0.1-0.5，纯的、退火材料的n较大。nSKe57第三节工程合金的结构、组织铁单晶体的屈服强度σS≈27.5MPa，多晶体σS≈137Mpa，低碳钢σS≈177～333MPa，强度极限σb≈314～588MPa，低合金钢σb可达1570MPa；高合金钢σb可达2450、2940MPa；冷拔钢σb可达4120MPa。用形变热处理方法可使合金钢的σb达到2940、3430MPa。目前广泛应用的钢铁材料的强度多在390～490MPa至1000MPa范围内。58一、合金中的相（一）固溶体和固溶强化由于溶质原于B引起原子A点阵的畸变，使位错的滑移发生困难，金属强度提高。这种强化方式谓之固溶强化。5960（二）各种化合物相如TiC、TiN、WC、Fe3C、Cr7C3等。化合物相对合金性能的影响，同其形态、尺寸大小及分布状态有关，即与合金的组织有关。61二、合金的强化与组织使合金强化的机理有：（A）形变强化；（B）固溶强化；（C）第二相强化;（D）晶界强化（一）形变强化主要是由增加位错和空位等缺陷的密度采达到强化的目的。这种强化方法只能提高σs而无济于σb，且实际上是减低了塑性储备。（二）固溶强化是普遍存在的，但是有限度的。这是由于固溶度有限以及固溶强化可能导致脆化和脆性转变温度升高。62第二相强化效果受其形态和分布的影响很大，有两类双相（或多相）组织，其情形大不相同。（三）一类是第二相尺寸和基体晶粒尺寸相近的两相混合组织。例如退火态的珠光体是铁素体与Fe3C的两相混合物。这类组织的强度受两相比例的影响，更受其形态和分布的影响，其断裂失效常常起始发生于较脆弱的一相，故其效果不理想。（四）另一类是第二相极其分散地分布于母相之中，包括弥散强化和析出强化。63在这类合金中是利用第二相的高强度将其作为机体中位错的障碍物和钉扎点，在第二相不被剪断的条件下，第二相分布得愈均匀、愈密则强度愈高。许多现代结构合金都要求经淬火再时效，就是为了造成弥散分布的第二相，即利用这种强化机制（叫Orowan机制）。64（五）晶界强化与细晶粒组织细晶粒组织中晶界区所占比例增大，位错易滑动路程缩短，故细化晶粒能提高强度。Hall-Petch公式：dKs065第三节化工设备用钢概述一、碳素结构钢和普通低合金结构钢在常温的非腐蚀性介质中使用的构件、容器，要求材料有良好的机械性能和良好的加工性能，特别是焊接性。66二、低温钢各种结构用金属材料的变形能力都会随着温度的降低而降低，表现为塑性、尤其是韧性下降，即出现低温脆化。所以，低温用钢的主要矛盾是提高韧性或减弱脆化倾向即降低脆性转变温度。67在各种强化机制中，除晶界（细晶粒）强化能同时提高韧性外，其它方法均可能会导致脆化。为改善和提高钢的韧性，通常可利用下列机制：限制碳、氮等间隙元素含量，防止晶界脆化；提高钢的净化程度，去除弱性杂质物；细化晶粒；细化亚结构；使第二相或硬杂质物细而均匀分布，达到位错均