河河 海海 大大 学学 20152016 学年第二学期学年第二学期 金属失效分析金属失效分析 期末试卷期末试卷（材料类 2015 级硕士） 学号 姓名 成绩 一、失效案例分析：请同学们各自收集一个金属构件失效案例素材，分析该案例失效 原因及预防改进措施（50 分） 。二、结合课程学习内容及该案例分析，简要回答以下问题：1. 失效分析的意义；失效分析的程序；失效分析时需遵循的原则。 （15 分） 2. 试分析常见的金属失效类型及其典型特征。此案例中涉及了哪几种失效类型？（10 分）3. 金属失效构件常见的理化检验方法有哪些？此案例中采用了哪些理化检验方法？（10 分）4. 本案例分析中可能存在哪些不足？浅谈你对失效分析的认识。 （5 分）【参考答卷参考答卷】一、失效案例分析一、失效案例分析案例名称：高温烟机转子叶片断裂失效原因分析案例名称：高温烟机转子叶片断裂失效原因分析 （一）案例描述（一）案例描述某炼油厂催化装置烟气轮机在运行中转子叶片发生断裂，致使整套装置停车，使生产蒙受巨大的损失。为避免同类事故再次发生，从根源上消除安全隐患，对该烟机转子叶片的断裂原因进行了检验分析，以确定该转子叶片断裂的影响因素，从而采取相应的防护措施，确保设备安全稳定、长周期运行。烟气轮机是催化装置能量回收的关键设备。它利用装置中产生的高温烟气带动转子，将装置中多余的压力能和热能转化为电能或机械能。由于催化装置高温烟气中含有催化剂固体颗粒，工作中以高速度冲蚀磨损叶片，极易导致叶片失效，严重影响到叶片的使用寿命。烟气轮机转子叶片材料为 K213 铸件，叶片表面喷涂耐磨涂层。转子运行速度：55305599r/min，入口压力：0.150.185Mpa，入口温度：630670，出口压力：0.0070.009 Mpa，出口温度：480520。烟气的介质成分见表 1；烟气内催化剂固体含量200 mg/m3 ，催化剂粒度分布%见表 2。表 1 烟气介质成分分布烟气介质O2CO2CON2H2OSO2比例 /%0.1710.07.068.4414.340.05交卷日期：12.11 日前 纸质版：乐学 1208（或一楼邮箱） 电子版：jinghua- jianghhu.edu.cn1表 2 催化剂粒度分布催化剂粒度 /104102402分布 /%3551715404080（二）失效分析过程（二）失效分析过程1、取样、取样 从失效叶片中割取样本，分别编号。失效叶片外观如图 1 所示，从中割取检验的6 件样本编号如图 2 所示。从图 2 可以看出，编号 3#、4#两片从根部断裂，裂纹源在叶片表面，断口表面起伏较大。其余编号 1#、2#、5#、6#叶片有不同程度的表面断裂，表面有油污，未见局部腐蚀和减薄。图 1 失效叶片外观 图 2 样本编号2、硬度测试、硬度测试 采用 TH320 全洛氏硬度计对叶片根部取样进行硬度测试，将测得维氏硬度试验值与标准值进行对比，维氏硬度试验值如表 3 所示。标准 Q/GYB 5021999K213 合金锭中规定的硬度为 342HV5， 从表 3 可以看出，样本的硬度值均高于规定标准值。表 3 试样硬度测试试样编号硬度 /HV5平均值3#378.2381.8374.4410.5418.7402.9394.44#353.5387.4369.4424.5406.5405.0391.15#424.5409.5420.5418.23、化学成分分析、化学成分分析 采用 EDX（X 光能量衍射仪）对叶片断裂处取样进行化学成分测定，将测得的化学成分含量与标准范围进行对比，化学成分含量如表 4、表 5 所示。Q/GYB5021999K213 合金锭化学成分含量的标准范围如表 4、表 5 所示，2可知大部分元素都在标准范围内，碳含量略微偏高。表 4 试样化学成分%试样编号CSiMnSP3#0.120.220.110.00430.0085#0.120.230.100.00420.008标准范围0.10/0.500.0150.015表 5 试样化学成分%试样编号CrNiMoCuFe3#14.0636.100.210.1049.065#14.1035.760.180.1049.39标准范围14.016.034.038.00.54、金相分析、金相分析 采用 UD-200M 金相显微镜对叶片断口剖面进行观察，3#显微组织如图 3、图 4 所 示；4#显微组织如图 5、图 6 所示。 叶片显微组织为奥氏体+碳化物并沿晶界分布，组织形貌不均匀。叶片内部存 在铸造缺陷孔洞和氧化裂纹。图 3 3#显微组织 1 图 4 3#显微组织 2图 5 4#显微组织 1 图 6 4#显微组织 235、断口分析、断口分析51 断口宏观分析断口宏观分析 采用放大镜分别对根部及表面断裂的叶片断口进行观察，3# 、4#样本的宏观形貌 如图 7 所示，其它样本断口宏观形貌如图 8 所示。图 7 3#、4#样本断口宏观形貌 图 8 其他样本断口宏观形貌3# 、4#样本的宏观形貌：断口几乎与连接部位根部平行；裂纹源起源于样本表面， 由表面扩展至内部；断面粗糙，起伏较大，无宏观塑性变形、未见壁厚减薄，断口呈 黑色无金属光泽。 其它样本断口宏观形貌：断面粗糙，无宏观塑性变形、未见壁厚减薄，断口无金 属光泽，呈黑色。52、断口微观分析、断口微观分析 采用扫描电镜对根部及表面断裂的叶片断口进行观察，3# 样本断口裂纹源区特征 如图 9 所示，3# 样本断口扩展区特征如图 10 所示，3# 样本断口扩展区尖端特征如图 11 所示。2#样本碎片断口特征如图 14 所示。 通过观察图 9图 11 可见，3# 样本断口在裂纹源区及扩展区，断口表面覆盖有较 为致密的氧化产物，并且表面有原始孔洞缺陷，呈树枝晶状断裂开裂。 通过观察图 12图 13 可见，3# 样本断口在裂纹瞬断区，断口表面也是以树枝晶状 断裂开裂为主，伴随大面积韧窝解理和二次裂纹。 通过观察图 14 可见，2#样本断口表面无氧化物，晶界间存在铸造缺陷，见韧窝 伴随解理开裂。4图 9 3#样本断口裂纹源区特征 图 10 3#样本断口扩展区特征图 11 3#样本断口扩展区特征 图 12 3#样本扩展区尖端特征图 13 3#样本瞬断区特征 图 14 2#样本碎片断口特征通过电镜下对断口分析发现，3#叶片断口表面覆盖致密氧化物，为陈旧断口；在裂纹尖端和瞬断区，表面覆盖氧化产物较少，断口表面无疲劳迹象，以树枝晶状断裂开裂为主，伴随大面积韧窝、解理开裂和二次裂纹。此乃高温下材料脆性断裂之典型特征。而其它叶片为瞬时断裂，断口表面氧化产物较少，以树枝晶状断裂为主，伴随韧窝、解理断裂，存在二次裂纹。应该是后于 3#、4#叶片断裂。 （三）（三） 结论与建议结论与建议1、结论、结论 鉴于以上的检验分析，可见叶片存在原始缺陷，同时组织中存在沿晶界分布的脆性相；加之叶片长时间在高温下运行，承受热交变载荷及粉尘冲刷，导致微观裂纹扩展、串接形成晶间宏观裂纹，最后发生脆性断裂。而其它叶片表面断裂，为先行断裂碎片冲击造成的结果。原因一： 叶片材料碳元素含量偏高，导致材料脆性上升，力学性能降低，缺口敏感性增加；5原因二： 叶片金相显微组织为奥氏体+碳化物，碳化物沿晶界分布，由此造成组织内部分布不均匀，沿晶界形成分布的脆性相；原因三： 叶片内部存在原始铸造缺陷，如孔洞、裂纹等；在运行过程中成为断裂源。2. 建议建议 （1）应控制叶片材料及制造的质量，从源头上减少材料的影响。K213 铸件是铁基铸造高温合金，成本比较低，我们可以采用镍基合金或者加 Ni 来提高材料的韧性。在铸造时严格遵守工艺流程，减少气孔等缺陷产生。（2）控制生产过程介质中腐蚀产物含量，减少操作因素的影响。二、简答与心得二、简答与心得1.失效分析的意义；失效分析的程序；失效分析时需遵循的原则。失效分析的意义；失效分析的程序；失效分析时需遵循的原则。答：（略，详见讲义） 。2.此案例中涉及了哪几种失效类型？此案例中涉及了哪几种失效类型？常见的金属失效类型及其典型特征。常见的金属失效类型及其典型特征。答：（略，详见讲义） 。3. 本案例采用了哪些理化检验方法？金属失效构件常见的理化检验方法还有哪些。本案例采用了哪些理化检验方法？金属失效构件常见的理化检验方法还有哪些。 答：（略，详见讲义） 。4. 本案例分析中可能存在哪些不足？浅谈你对失效分析的认识。本案例分析中可能存在哪些不足？浅谈你对失效分析的认识。 答：本案例中可能存在的不足： 本案例中在分析其失效原因主要是材料本身的缺陷，也就材料本身进行了详细的 研究，虽然对烟机转子叶片的工作环境参数也做了一定的测定，但是这样的工作环境 对叶片的影响程度尚未说明，论文中所说的裂纹源由表面向内部扩展，是不是有可能 是叶片受到高温固体粒子不断冲刷，造成裂纹源的扩展，还是其他原因，论文并未详 细说明。本人对失效分析的认识： 我觉得失效分析是一门很有趣的学科，同时也是一门综合性的学科，其对我们的 专业知识要求也比较宽广。在整个分析的过程中，我们要结合周围的环境因素、材料 本身、断口形貌、微观组织等等因素，来还原材料的整个失效过程。在分析过程中， 我们还要使用一些辅助仪器去测定参数和观察形貌，然后才能分析原因，得出结果。 尽管失效分析的程序比较复杂，但是失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生， 对于企业降低成本、提高质量具有重大意义。6