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金属材料中的失效分析与寿命预测
金属材料中的失效分析与寿命预测在制造业与工程领域，金属材料是最常用的一类材料。
然而，应用中的金属材料难免会出现各种失效现象，这些失效现象对于设备的正常运转和工作人员的安全带来了严重影响。
因此，了解金属材料中的失效分析和寿命预测方法，对于提升设备的可靠性和安全性具有重要意义。
一、失效类型及原因金属材料在使用过程中可能发生腐蚀、疲劳、应力腐蚀裂纹、焊接裂纹等多种失效类型。
其中，腐蚀是最常见的失效类型，它会导致金属材料的厚度减少、破损、变形等问题。
腐蚀的原因主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀、高温氧化等。
疲劳失效与应力腐蚀裂纹也十分常见。
疲劳失效是由于金属材料在反复的应力作用下，逐渐发生微小的损伤，导致微小裂纹和最终失效。
应力腐蚀裂纹则是由于金属材料受到了应力和腐蚀的共同作用，导致表面出现裂纹，进一步导致金属材料的失效。
焊接裂纹是在焊接过程中出现的缺陷，如果不及时修复，很容易引发器件失效。
因此，在金属材料的制造过程中，严格的焊接操作非常重要。
二、失效分析失效分析是指对失效的机器或器件进行全面分析，了解失效原因和类型以及所受影响的程度并采取相应的措施。
在失效分析的过程中，需要从以下几个方面入手：1、问题描述问题描述是失效分析的第一步。
需要对失效的机器或器件进行详细的描述，包括发生时间、失效类型等信息。
2、样本采集样本采集是失效分析的关键步骤，需要从失效的机器或器件中采集样本进行检测分析。
样本的选取非常重要，需要选择与实际情况相似的样本，以便准确的分析失效原因。
3、试验检测试验检测是对样本进行全面检测。
通过显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等仪器检测样本的内部结构和组成，找到失效原因。
4、制定措施在对失效的机器或器件进行分析之后，需要制定相应的措施，以防止类似问题的再次出现。
常见措施包括更换损坏的部件、更改原零件的设计、采用更耐腐蚀的材料等。
三、寿命预测寿命预测是指根据机器或器件的使用条件和材料的性能，在其使用前或使用中预测其寿命。
失效案例分析
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b.氢致开裂（HIC）
在钢的内部发生氢鼓 泡区域，当氢的压力 继续增高时，小的鼓 泡裂纹趋向于相互连 接，形成有阶梯特征 的氢致开裂。氢致开 裂发生不需要外加应 力（载荷应力、残余 应力），故从概念讲 不属于应力腐蚀破坏 范畴。
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c.硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）
• 硫化氢在液相水中，由于电化学的作用，在阴极反应时生成氢 原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致脆性增加（氢原子 渗透到钢的内部晶格，在亲和力的作用下生成氢分子，钢材晶 格发生变形，材料韧性下降，脆性增加），在外加拉应力或残 余应力的作用下形成开裂。
2、焊接裂纹有不同的特性，要根据不同的裂纹产生机理 及形式选择检测的时机与方法，提高检验的有效性。
• 延迟裂纹 • 液化裂纹
3、对于易产生焊接裂纹的钢种，一旦发现裂纹，应扩大 检验比例。
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案例1：反应流出物换热器管箱入口不锈钢法兰开裂
某石化炼油厂，2010年大修检验发现，反应流出物换热器管箱入口 不锈钢法兰开裂。 主要原因：
P≤0.008%、Mn≤1.30%，且应进行抗HIC性能试验或恒 负荷拉伸试验。
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在湿硫化氢应力腐蚀环境中使用的其它材料制设备和管 道应符合下列要求：
铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不 大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235 （2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）或HB248（9Cr-1Mo）；
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湿硫化氢环境分类（NACE 8X196） 一类：不选用抗HIC钢，可不做热处理 二类：可选抗HIC钢，要进行热处理 三类：选用抗HIC钢，要进行热处理
材料缺陷引起的失效
材料缺陷引起的失效在大量的零件断裂事故中由于材料缺陷引起的失效占有相当大的比重。
材料缺陷包括金属夹杂物与非金属夹杂物，钢锭偏析、结晶偏析、气孔偏析，钢中的气体，铸造缺陷等等。
一、机车十字头断裂分析机车在行进途中十字头突然断裂。
十字头实物照片见图10-1。
十字头内侧板断口宏观形貌见图10-2。
图10-1 十字头断裂实物照片图10-2 十字头内侧板宏观断口1. 化学成分Wt(％)表：化学成份硫含量过高2. 机械性能表：机械性能3. 金相分析对内侧板断口的背面作硫印和低倍检验看出，铸件存在较严重的表面气孔，疏松以及硫的偏析等缺陷。
金相组织为铁素体+珠光体。
晶粒度5～6级，氧化物1.5级，硫化物3.0级。
4. 断口的宏观分析断口无明显的塑性变形，有明显的台阶存在，并隐约可见到贝纹线，属多源疲劳断裂内侧板断口疲劳源位于铸件表面一侧，源区表面光滑。
5. 扫描电镜分析从疲劳源区及疲劳裂缝扩展区切取试样，分别在电镜下观察。
观察发现内侧板断口的疲劳源区存在表面气孔和表面孔洞等缺陷，见图10-3和图10-4。
图10-3 表面气孔×30图10-4 表面孔洞×50在断口上可见到较多的显微空隙(疏松缺陷)见图10-5在疲劳扩展区中可见到疲劳辉纹及受研磨的形态。
这说明十字头断裂为机械疲劳断裂。
图10-5显微空隙通过对十字头断裂的综合分析，结论是以其铸件表面的气孔，孔洞等铸造缺陷为疲劳的机械疲劳断裂。
二、筛板断裂分析筛板热成型或热成型淬火后，在筛板筛孔边缘产生纵向和横向裂纹。
放置一段时间后裂纹尺寸增大、数量增多，甚致发生断裂。
1. 化学成分(Wt％)表：化学成分成分合格2. 断口分析宏观断口呈灰色、无金属光泽，断口分层，断口的边、角处氧化锈蚀，表明淬火加热之前钢板中存在有裂纹。
图10-6(a)是筛板纵向断口(断口表面与钢板表面平行)扫描电镜照片。
由图中可见断口以沿晶型断裂为主，晶界上有较多的颗粒状夹杂物。
金属材料失效分析1-断裂
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
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2、断裂强度计算
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，
周期为λ， 则:
a0
m
sin
2 x
其中: σm理论断裂强度
试 样形 状
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四、断口三要素的应用
根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向 裂纹源的确定： ①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维
区的位置就找到了裂源的位置； ②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置； ③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，
而裂源在材料表面上萌生。
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裂纹扩展方向的确定： ①纤维区指向剪切唇 ②放射条纹的发散方向 ③板状样呈现人字纹（chevron pattern）
其反方向为 源扩展方向
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§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）
失稳扩展
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裂纹形成的位错理论 （裂纹形成模型或机制） 1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论 3、位错墙侧移理论 4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断
金属零件失效分析
未及时发现和修复金属零件的损伤，可能使其在使用过程中发生突 然失效。
其他原因分析
材料缺陷
金属材料本身存在的缺陷，如夹杂物 、偏析等，可能导致其在使用过程中 发生失效。
外力损伤
金属零件在使用过程中受到外力损伤 ，如撞击、挤压等，可能导致其发生 变形或断裂。
04
金属零件失效预防措施
研究展望
• 针对新型金属材料（如高强度轻质合金、非晶合金等）的失效问题，需要深入 研究其失效机制和规律，建立更加完善的失效分析方法。
• 随着无损检测技术的发展，未来可以利用更加先进的检测手段（如超声检测、 X射线检测等）对金属零件进行早期预警和实时监测，提高失效预测的准确性 和及时性。
• 在失效分析过程中，应加强计算机模拟技术的应用，通过建立数值模型和仿真 分析，对金属零件的失效过程进行模拟和预测，为实际应用提供更加可靠的依 据。
目的和意义
通过对金属零件失效的分析，可以找 出失效原因，预防类似失效的再次发 生，提高机械装备的可靠性和安全性 。
同时，失效分析还可以为新材料的开 发和现有材料的改进提供理论依据和 实践指导，促进材料科学的发展。
02
金属零件失效类型
断裂失效
总结词
断裂失效是金属零件最常见的失效形式之一，表现为零件在应力作用下发生的 断裂现象。
磨损和腐蚀失效分析涉及对金 属零件表面形貌、成分、硬度 等方面的检测，以确定磨损和 腐蚀的原因和程度，并提出相 应的防护措施。
某化工设备中的金属管道在使 用过程中发生严重磨损和腐蚀 ，导致介质泄漏。通过失效分 析发现，管道内壁存在介质冲 刷和腐蚀性物质的共同作用， 导致表面损伤。
建议加强管道内壁防腐涂层保 护；同时优化介质输送方式， 减少对管道内壁的冲刷磨损。
金属材料失效分析案例
3 分析
(1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体，材料化学成分 合格，主要性能指标也基本正常。
(2)叶片断裂部位在倒*形槽根部的横断面上，亦即在应力集 中部位，是裂纹源萌生地，断口具有典型的疲劳断裂特征， 裂纹扩展属穿晶走向。
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(3)叶片根部疲劳断裂与装配质量有关，高压转子叶片安 装时通常要求根部紧配合，但裂断的第+级叶片根部却是 松配合，遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部， 根部与叶轮槽表面产生摩擦，从而使根部表层晶粒持续滑 移带极易萌生裂纹，即产生疲劳源，随后裂纹不断扩展， 最终造成根部疲劳断裂。
疲劳断裂。
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材料失效分析
班级：XXX 组员：XXX
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案例 漳平电厂1号机叶片断裂失效分析
1、背景
2 检查、试验
2.1宏观检查2Biblioteka 2 断口微观检查2．3化学成分
2．4硬度测试
2．5 冲击试验
2．6 金相检查
3 分析
4 结论
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1、背景 漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽 式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月 大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一 个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修 复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为： 拆除5段围带及43片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损 坏的2段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段 围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运 行。2000年5月7日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加 剧，揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个，部分围带脱 落，第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照1998 年4月大修记录，发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修 复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为 严重，故把整个转子送到制造厂修复。为了找出叶片断裂 的原因，我们开展了一系列精的品文失档 效分析工作。
典型钢材失效分析案例详解
典型钢材失效分析案例详解案例一：端联器螺栓脆性断裂失效零件名称：端联器螺栓零件材料：中碳铬钼钢失效背景：在20余台重载履带车辆共6000多个端联器螺栓中有3个螺栓断裂，失效率为0.044%。
失效螺栓均是在使用初期断裂，见图1-1，螺栓断面形貌见图1-2。
图1-1的失效螺栓是一条新履带装车行驶1km后停车维护时，出现突然断裂。
螺栓头部一段从端联器中间的光孔中掉落，有螺纹的另一段残留在端联器上的螺纹孔中。
螺栓的服役条件在静止时受预紧静拉力，运动时受预紧静拉力加交变切向力。
图1-1断裂螺栓图1-2断裂螺栓的正面断口形貌失效部位：螺栓断裂部位位于垂直于轴向的螺纹中部。
失效特征：从图1-2螺栓断裂面看出，断口呈起伏状，无塑性变形，个别区域有面积大小不等的小平面，整个断面上无冶金缺陷。
断裂源只有一个，起始于断面外侧的螺纹根部应力集中处，断裂源宽约1mm，在半径2mm内的区域内较平坦，断裂源两侧10mm外的其余断面外圆处有1mm左右的拉边，断面主要由沿晶、冰糖状、大量的晶间微裂纹组成，整个断裂面上各个小平面之间没有显著的分界线，也没有疲劳断裂中的贝纹线，呈现出典型的无塑性脆性断裂形态。
综合分析：理化检测的化学成分、非金属夹杂物、晶粒度及热处理质量的结果表明，原材料、螺栓制造质量均满足技术要求。
螺栓的基体金相组织见图1-3，微观扫描断口形貌见图1-4。
图1-3断裂螺栓的金相组织200x图1-4断裂螺栓的扫描断口形貌查找生产作业，发现当初螺栓拧紧装配时，实际拧紧力矩远大于设计规定的力矩。
为对比分析，取9枚螺栓实物（8枚已使用无问题的螺栓，1枚未使用螺栓），进行强断拉伸试验。
螺栓拉伸试验断口的断裂源也同样位于一侧螺纹根部应力集中处，属于线断裂源，断口形貌平齐，见图1-5。
断口微观形貌见图1-6。
两种断口形貌对比见表1-1。
图1-5合格螺栓断口形貌（一） 图1-6合格螺栓断口形貌（二）表1-1两种断口形貌对比断口 失效件断口 无问题实物断口断口典型 形貌 断裂源附近的断面主要为沿晶断裂，呈冰糖 状，无明显塑性变形，还有少量韧窝。
(最新整理)金属热处理缺陷分析及案例.
• 碱水：与油相似，用于淬透性较差的 碳钢件，变形小、开裂小。
• 油：有普通、快速、等温油。 • 聚合物溶液：有聚乙烯醇（PVA）和
聚二醇（PAG）。
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• F、其它措施：
• 及时回火。局部包扎。
• （六）、其它热处理裂纹：
• 回火裂纹：多出现于高速钢或高合金工 具钢。
• 冷处理裂纹：高速钢刀具、工模具冷至 －80度以下的淬火处理时易出现裂纹。
• 1、去应力退火：
• 对铸件、锻件、焊接件和机加件退火。
•
加热至Ac1以下50－200℃，保温后空冷
或炉冷至200－300 ℃后再空冷。
• 2、回火：回火对应力的消除与回火温度的高 低有关系，温度超高→应力消除越彻底，但硬
度降低也越厉害。
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第五章 组织不合格
• 一、氧化与脱碳：
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五、热处理变形的矫正：
• （一）、机械矫正法：冷压校正、热压校正、 加压回火校正、锤击校正。
• （二）、热处理校正： • 1、在Ac1温度以下加热急冷：对胀大变形的
工件进行收缩处理； • 2、淬火胀大法：对收缩变形的工件进行胀大
处理。
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第四章 残余应力
• 一、概述：
• 1、氧化：
•
使表面粗糙度增加、精度降低，使钢件强
度降低。往往也是淬火软点和淬火开裂的根源。
• 2、脱碳：
•
即表面碳量降低。导致钢淬火硬度、耐磨
性及疲劳强度降低，对高速钢舍去降低热硬性。
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3、防止和减轻氧化脱碳的措施：
金属腐蚀失效分析1
金属腐蚀失效分析1腐蚀失效分析的目的和意义凡机械设备、生产装置、桥梁、飞机、船舶及海洋设施等或其零部件在使用过程中,由于腐蚀的原因，使之达不到设计规定的功能，或者产生破断,或者不能安全可靠地进行运转和继续服役，均称之谓腐蚀失效。
金属腐蚀是金属设备与构件破坏的重要形式之一，对因腐蚀而破坏的设备与构件进行分析称为腐蚀失效分析，其主要目的是：①寻找失效的原因，避免类似腐蚀失效事故的重演；②消除隐患，克服生产中的薄弱环节，提高设备的制造质量，保证安全运转和延长设备的使用寿命；③改进设备结构设计和提高设备的性能，保证设备的先进性；④制订合理的操作工艺和操作规程；⑤发现与发展防腐蚀新理论、新材料和新技术为生产服务。
2腐蚀环境与腐蚀失效类型间的关系环境对腐蚀失效有着直接的关系。
表1列出了各类腐蚀失效在化工企业767件事故中所占比例。
表2列出了工程中常见的金属腐蚀失效破坏类型的特征及产生的条件。
表1各类腐蚀失效事故在767件事故中的比例表2 工程中常见的金属腐蚀失效破坏类型的特征及产生的条件3.1环境因素它主要是指环境介质的组分、浓度、温度、压力、酸度、导电性等物理、化学及电化学性能，这些参数与腐蚀过程息息相关，因此，在进行腐蚀失效分析时，首先必须弄清产生腐蚀的环境介质条件。
3.2材质因素腐蚀过程是环境介质与金属材料表面或界面上发生的化学或电化学反应过程，因此金属材料是腐蚀过程一个重要组成部分。
从材质来看，主要有以下儿个方面值得特别注意：①金属材料的冶炼质量。
它主要是指金属材料的化学成份、非金属夹杂、浇注时的缩孔、偏析和夹渣等现象以及冷却过程中可能产生的白点等缺陷。
②金属材料加工质量。
它主要是指在轧制、锻造和挤压成材时，在加热过程中可能产生的沿晶氧化（过烧）、折叠、分层、带状组织和组织不均匀性等缺陷；在冷却过程中由于冷却速度过快可能产生的微裂纹以及焊接过程中出现的各种缺陷和热影响区的种种不利因素。
③热处理不当。
金属构件失效分析
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金属构件失效案例分析
案例一：疲劳失效
总结词
疲劳失效是金属构件最常见的失效形式之一，由于在循环应力或交变应力的作用下，金属构件逐渐产生疲劳裂纹 并扩展，最终导致断裂。
详细描述
疲劳失效通常发生在承受循环应力或交变应力的金属构件中，如发动机曲轴、齿轮等。疲劳裂纹通常起源于构件 表面或亚表面，裂纹扩展过程中会受到应力集中的影响，如缺口、划痕等。疲劳失效的原因包括材料缺陷、应力 集中、温度变化等。
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结论
金属构件失效分析的意义
保障工业安全
通过对金属构件失效进行分析，可以及时发现潜在的安全隐患， 避免因构件失效导致的工业事故。
提高产品质量
通过失效分析，可以找出产品设计、制造或使用过程中的问题，为 改进产品提供依据，提高产品质量。
促进科技进步
失效分析涉及多个学科领域，如材料科学、力学、化学等，对促进 相关学科的科技进步具有重要意义。
金属构件失效分析
目 录
• 引言 • 金属构件失效分析方法 • 金属构件失效案例分析 • 金属构件失效预防措施 • 结论
01
引言
主题简介
金属构件失效分析是一门研究金属构 件失效原因、失效模式和失效机理的 学科。
它涉及到材料科学、力学、腐蚀科学 等多个领域，对于保障金属构件的安 全可靠性和延长其使用寿命具有重要 意义。
THANK YOU
严格控制加工过程
确保金属构件在加工过程中不受损伤 ，如防止过度切割、弯曲或冲压，以 减少应力集中和微裂纹的形成。
定期进行维护和检查
制定维护计划
根据金属构件的使用环境和条件，制定合理的维护计划，包括定期清洁、涂层保护和紧 固件检查等。
定期检查与监测