化工设备失效原理与案例分析试题

化工设备失效原理与案例分析

填空：

1.常见的断裂分类有：

1）根据断裂时变形量的大小，将断裂失效分为两大类，即脆性断裂和延性断裂。

2）按裂纹走向与金相组织的关系，将断裂失效分为穿晶断裂和沿晶断裂。

3）按断裂机制与形貌将断裂失效分为：1）按断裂机制进行分类，分为微孔型断裂、解理型（准解理型）断裂、沿晶断裂及疲劳型断裂等。2）按断口的宏观形貌分类，分为纤维状、结晶状、细瓷状、贝壳状及木纹状，人字形、杯锥状等。3）按断口的微观形貌分类，分为微孔状、冰糖状、河流花样、台阶、舌状、扇形花样、蛇形花样、龟板状、泥瓦状及辉纹等。4）按加工工艺或产品类别对断裂进行分类：1）按加工下艺分类，有铸件断裂、锻件断裂、磨削裂纹、焊接裂纹及淬火裂纹等。2）按产品类别分类，有轴们断裂齿轮断裂、连接件断裂压力容器断裂和弹簧断裂等。

2.失效分析可分为：事前分析、事中分析和事后分析。

3.腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。

4.解理断裂的微观形貌特征主要是：河流花样及解理台阶，除此之外尚有舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及羽毛花样等以及珠光体解理。

5.典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。

二、判断

1.缩孔：由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈倒锥形。

2.点腐蚀：只有在特定的介质中才能发生点腐蚀。当介质中的氯离子和氧化剂（如溶解氧）同时存在时，容易发生点腐蚀、大部分设备发生的点腐蚀失效都是氯化物和氯离子引起的。

3.晶间腐蚀：某种材料是否发生晶间腐蚀取决于材料／介质体系的特征。在这种体系中，材料的晶界区域比晶粒本体的溶解速度大，所发生的腐蚀即为晶间腐蚀。

只有那些能使不锈钢的晶界呈现活化状态，而晶粒呈现钝化状态的介质环境，才会发生晶间腐蚀。

金属发生晶间腐蚀后，在宏观上几乎看不到任何变化，几何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著降低。

4.在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。

5.微孔型断裂的宏观表现：宏观塑性的微孔断裂（提高材料的塑变抗力防止）、宏观脆性的微孔断裂（提高材料的断裂韧度）。

6.冷脆金属低温脆断断口的宏观特征：结晶状，并有明显的镜面反光现象。冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征：河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。

7.准解理断裂：从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。为了防止此类断裂，最有效的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力，即降低钢材的脆性转折温度。

三、名词解释

1.第一类内应力是指存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm 以上；

第二类内应力是指在晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸为10（-1）～10（-2)mm; 第三类内应力是在原子尺度范围保持平衡的应力，尺寸为10（-3）～10（-6)mm.

2.断口的宏观分析是指用肉眼或放大倍数一般不超过30倍的放大镜及实物显微镜，对断口表面进行直接观察和分析的方法。

3.应力腐蚀开裂是在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏。

4.接触疲劳：材料表面在较高的接触压应力作用下，经过多次应力循环，其接触面的局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，最后导致构件失效的现象。

5.石墨化脆性：含硅高的碳素工具钢或弹簧钢，经热处理后，常出现硬度不足，加工表面粗糙度大，或在使用中脆断。其断口一般呈黑灰色，无金属光泽，并可见石墨夹杂物或石墨碳颗粒，这种现象称石墨化脆性。

四、简答

1.失效的来源

1）设计的问题2）材料选择上的缺点3）加工制造及装配中存在的问题4）不合理的服役条件

2.断口处理措施：

1）在干燥大气中断裂的新鲜断口，应立即放到干燥器内或真空室内保存，以防止锈蚀，并应注意防止手指污染断口及损伤断口表面；对于在现场一时不能取样的零部件尤其是断口，应采取有效的保护，防止零件或断口的二次污染或锈蚀，尽可能地将断裂件移到安全的地方，必要时可采用油脂封涂的办法保护断口。

2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。先用汽油去除油污，然后再用丙酮、三氯甲烷、石油醚或苯类等有机溶剂溶去残留物，最后用无水乙醇清洗再吹干。如果仍不能去除彻底，可用蒸汽或超声波法进一步去除。

3）在潮湿大气锈蚀的断口，可先用稀盐酸水溶液去除锈蚀氧化物，然后用清水冲洗，再用无水酒精冲洗并吹干。

4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往是非常重要的，因而不能轻易地将其去掉。但是，为了观察断口的形貌特征而必须去除时，应先对产物的形貌、成分及相结构进行仔细的分析后，再予以去除。

3.解理致断原因分析

1)从材料方面考虑，通常只有冷脆金属才能发生解理断裂。

2)构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下。

3)只有在平面应变状态下才能发生解理断裂，或者说构件的几何尺寸属于厚板情况。

4）晶粒尺寸粗大。

5）宏观裂纹的存在。

除此之外，加载速度大及活性介质的吸附作用都促进解理断裂的发生。

4.低温脆断的条件及影响因素

1）只有冷脆金属才会发生低温脆断。

2）环境温度低于脆性转折温度。

3）构件几何尺寸较大，构件处于平面应变状态。

五、分析报告

失效分析的步骤

1．现场调查

（l）保护现场。在防止事故进一步扩展的前题下，应力求保护现场不被破坏，如果必须改变某些零件的位置，应先拍照或做出标记。（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。(4）选取进一步分析的试样，并注明位置及取样方法。（5）询问目击者及其他有关人员，了解有关情况。( 6 ）写出现场调查报告。2．收集背景材料

（1）设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期，设计参数及功能要求等。(2）设备的运行记录，要特别注意载荷及其波动，温度变化，腐蚀介质等。(3）设备的维修历史情况。(4）设备的失效历史情况。（5)设计图样及说明书、装配程序说明书、使用维护说明书等。(6）材料选择及其依据。(7)设备主要零部件的生产流程。(8）设备服役前的经历，包括装配、包装、运输、储存、安装和调试等阶段

(9）质量检验报告及有关的规范和标准。在进行一项失效分析工作时，现场调查和收集背景材料是至关重要的，可以说是前提和根本。通过现场调查和背景材料的分析、归纳．才能正确地制定下步的分析程序。因此，作为失效分析工作，必须重视和学会掌握失效设备（构件）相关的各种材料。有时．由于各种原因，分析人员难以到失效现场去，这样就必须明确地制定需要收集材料的内容，由现场工作人员收集。收集背景材料时应遵循实用性、时效性、客观性以及尽可能丰富和完整等原则。

3.技术参里复验

1）材料的化学成分。(2）材料的金相组织和硬度及其分布。(3）常规力学性能。(4）主要零部件的几何参量及装配间隙。

4.深入分析研究

（1）失效产品的直观检查（变形、损伤情况，裂纹扩展，断裂源）。(2）断口的宏观分析及微观形貌分析（常用扫描电子显微镜）(3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、x 射线、超声波等）。(4）表面及界面成分分析（俄歇能谱等）。(5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针等）。(6）相结构分析（X 射线衍射法）。

(7）断裂韧度检查，强度、韧性及刚度校核。

5.综合分析归纳，推理判断提出初步结论。

根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断，去伪存真、由表及里地分析后，初步确定失效模式，并提出失效原因的初步意见和预防措施。

6.重现性试验或证明试验。

为了验证所得结论的可靠性，对于重大事件，在条件允许的情况下，应进行重现性试验或对其中的某些关键数据进行证明试验。如果试验结果同预期的结果一致，则说明所得结论是正确的，预防措施是可行的。否则，尚需做进一步分析。

应该注意，在进行重现性试验时，试验条件应尽量与实际相一致。快速试验得出的结果在与实际对比时，应进行合理的数学处理，而不应简单放大或直接应用。

重点：7.撰写失效分析报告

机械产品的失效分析报告通常应包括如下内容：

(l）概述。首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委托；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起比时间等。

(2）失效事件的调查结果。简明扼要地介绍失效部件的损坏情况，当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法；失效零部件的服役史、制造史及有关的技术要求和