材料失效案例
失效分析案例课件
图10 裂纹源扫描电镜照片ppt精选版
14
2.3 结果分析
• 塔架用钢的材料组织状态正常, 母材常温拉伸与低温冲击试验结果 表明, 材料的塑性储备良好, 在-40℃以上没有出现冷脆开裂的现象 及风险。
• 根据宏观分析和微观分析找到了塔架焊缝开裂的裂纹源——近表面 的、深约2mm的焊接缺陷。
8
2.2 断口形貌
1.宏观形貌分析
图4 塔筒内部裂纹宏观形貌照片
失效风电塔架的塔筒内部裂纹宏观形貌: 裂纹的早期扩展阶段，裂纹扩展平稳，属于慢应变速率条件下的宏观
脆性断裂。（图4上） 裂纹扩展的末期（即裂纹末端），裂纹起伏台阶特征明显，表明裂纹
扩展进入复杂应力区，p但pt精尚选未版 进入失稳快速扩展阶段。（图4下）9
断口的近表面层发现存在40-50μm深 的全屈服变形层变形层与基体交 界面部分出现平直细小的类似解 理裂纹。
图7 裂纹微观形貌照片 ppt精选版
12
2.微观形扫描电镜照片
（2）断口的扫描电镜分析
失效主裂纹在焊缝的一侧（图 8）, 金相裂纹两边存在一个约4050μm的变形组织, 变形层下有显微 开裂, 这些开裂与多次反复挤压变形 有关。
风电塔架的失效分析
ppt精选版
1
失效分析思路
• 调查收集背景资料 • 试样检验分析: 材料的化学成分，金相组织，力学性能等 • 深入分析: 断口的宏观及微观形貌分析，无损探伤检查等 • 综合分析归纳，确定失效原因 • 结论 • 改进措施
ppt精选版
2
目录
1
概况
2
失效分析
3
改进措施
ppt精选版
Contents
1.宏观形貌分析
金属材料失效分析案例PPT
04
案例四：金属材料脆性断裂 失效
失效现象描述
金属材料在无明显塑性变形的情况下 突然断裂，断口平齐，呈脆性断裂特 征。
断裂发生时，材料内部存在大量微裂 纹和空洞。
断裂前材料未出现明显的塑性变形， 无明显屈服现象。
失效原因分析
材料内部存在缺陷，如微裂纹、夹杂物等，降低 了材料的韧性。
金属材料在加工过程中受到较大的应力集中，如 切割、打孔等操作，导致材料内部产生微裂纹。
失效机理探讨
电化学腐蚀
金属材料与腐蚀介质发生 电化学反应，导致表面氧 化或溶解。
应力腐蚀
金属材料在应力和腐蚀介 质的共同作用下发生脆性 断裂。
疲劳腐蚀
金属材料在交变应力和腐 蚀介质的共同作用下发生 疲劳断裂。
03
案例三：金属材料热疲劳失 效
失效现象描述
金属材料表面出现裂 纹
疲劳断裂，即在交变 应力的作用下发生的 断裂
02
疲劳断裂通常发生在应力集中的 部位，如缺口、裂纹或表面损伤 处。
失效原因分析
金属材料在循环应力作用下，微观结 构中产生微裂纹并逐渐扩展，最终导 致断裂。
应力集中、材料内部缺陷或表面损伤 等因素可加速疲劳裂纹的萌生和扩展 。
失效机理探讨
金属疲劳断裂是一个复杂的过程，涉及微观结构、应力分布、材料缺陷等多个因素。
应力腐蚀开裂
在腐蚀介质和应力的共同作用下，焊接接头 处发生应力腐蚀开裂，裂纹扩展导致断裂。
感谢您的观看
THANKS
金属材料在低温环境下工作，材料的韧性下降， 容易发生脆性断裂。
失效机理探讨
金属材料的脆性断裂通常是由 于材料内部存在缺陷或应力集 中导致的微裂纹扩展。
在低温环境下，金属材料的韧 性下降，容易发生脆性断裂。
桥梁钢结构材料失效案例
桥梁钢结构材料失效案例今天咱就来讲讲那些桥梁钢结构材料失效的事儿，可有意思了，当然是从吸取教训这个角度来说的。
一、美国塔科马海峡大桥（Tacoma Narrows Bridge）“舞动”的悲剧。
这桥啊，那可出名了，不过是出了名的倒霉。
它的钢结构看起来挺结实的，可谁知道呢？建成没多久，就像个喝醉了酒的大汉一样，在风中晃来晃去。
为啥呢？这钢结构的设计在抗风方面有点不靠谱。
当时的设计师可能没有充分考虑到当地的风况，那风一吹，桥梁的钢结构就开始各种变形。
你想啊，这钢结构就像是人的骨架一样，骨架要是不稳定，那整个人（桥）能好吗？它的那些钢梁啊，在风的作用下，受力变得很不均匀。
本来钢材是很能抗压抗拉的，但是这种异常的受力就像是给它使了阴招。
最后呢，这桥就在风中疯狂地舞动，像个抽风的怪物，然后“轰”的一声就断了。
这就是钢结构材料在不合理的设计下失效的典型例子，它告诉我们啊，设计桥梁钢结构的时候，风可不是个能随便忽略的小角色。
二、某城市人行天桥的锈蚀危机。
有个城市里有一座人行天桥，刚开始的时候，那也是一道亮丽的风景线呢。
钢结构的桥身，简洁又现代。
可是没过几年，这桥就变得锈迹斑斑，像个长满了麻子的脸。
原因呢？一方面是这个城市的空气质量不太好，有很多酸性物质。
这些酸性物质就像一群小恶魔，整天趴在钢结构上，慢慢地腐蚀钢材。
另一方面，当初在建造的时候，可能为了省点钱或者没太在意防锈的细节，防锈涂层就做得马马虎虎。
这钢材一旦生锈，就像是人生病了一样。
它的强度会大大降低，本来能承受很多人的重量，锈着锈着就变得脆弱不堪。
你看那些锈斑，就像是癌细胞一样在钢结构上蔓延。
要是再不处理，说不定哪天就会出大问题。
这个案例告诉我们，钢结构材料的防锈工作可是重中之重，就像我们每天要洗脸刷牙保持干净一样，钢结构也得好好保养。
三、焊接不当引发的桥梁隐患。
还有一座大桥，在建造的时候，焊接工人可能那天没吃好饭，或者是技术不太熟练。
钢结构之间的焊接部分那可是相当重要的，就像我们盖房子时砖头之间的水泥一样，得把它们牢牢地粘在一起。
失效案例分析
30
15
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。
31
32
16
33
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。
11
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。
40
20
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）；
27
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
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。
精品文档
(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。
精品文档
材料失效分析
班级：XXX 组员：XXX
精品文档
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
精品文档
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。
不锈钢管道晶间腐蚀失效案例
管子出现的裂纹是周向的，说明这不是管 子的内压力引起的周向应力的作用。管道 组装与投用后的弯曲应力和工作时的热膨 胀应力则往往是与管子轴向平行，如果再 叠加焊接的残余应力（沿与焊缝相垂直的 方向），则可能导致出现周向的应力腐蚀 裂纹。
5.结论
对所取样品经裂纹的宏观分析、金相分析、 断口的扫描电镜分析、微区腐蚀物的能谱 分析等，得到以下几点分析结论： （1）热影响区中的近熔合线处的晶粒有些 粗化，但在离熔合线4-5mm处有一晶界较 粗的区域，此系焊接热影响区中的敏化区， 是奥氏体晶粒中碳化物向晶界析出的区域。
SO2+H2O=H2SO3
（2）316L晶间腐蚀和应力腐蚀分析
316L为超低碳不锈钢，具有良好的抗晶间 性能。但焊接不当时，热影响区会出现敏 化现象。裂纹在法兰高颈一侧，另一侧没 有裂纹，说明高颈部位厚度大，冷却速度 比较慢，产生了敏化。
不锈钢的敏化现象 敏化作用：钢中的碳
(通常含0.08％)与铬结 合，在热处理过程中 或在焊接过程中在晶 界析出。形成的碳化 物使晶界出现贫铬， 并在晶界形成抗腐蚀 薄膜同时发生局部的 晶界腐蚀，降低了材 料的耐应力腐蚀性。
图3 (b) 近表面处断口形貌
4.讨论思路
① ②
③
④
管内介质分析 晶间腐蚀和应力腐蚀分析 316L钢的耐应力腐蚀性能 应力的联合作用
（1）管内介质分析
管内为99.99%SO2，水含量小于0.01%， 属于无水纯净液态SO2，这种干燥液态SO2 不会产生晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。但工 厂使用的SO2不一定都是无水的，如果水分 超标，或设备放置不用时管内SO2接触到大 气水分时，均会出现亚硫酸。
The end!
MLCC失效分析全面案例课件
全面的M1CC失效分析案例课件Q：M1CC电容是什么结构的呢？A：多层陶瓷电容器是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极）制成的电容。
TerminationsM1CC电容特点：机械强度：硬而脆，这是陶瓷材料的机械强度特点。
热脆性：M1eC内部应力很复杂，所以耐温度冲击的能力很有限。
Q：M1CC电容常见失效模式有哪些？A：焊接锡量不当r组装缺陷《［墓碑效应多层陶瓷J （陶瓷介质内空洞电容器缺陷］f内在因素«电极内部分层I本体缺陷1浆料堆积（机械应力【外在因素《热应力I电应力Q：怎么区分不同原因的缺陷呢？有什么预防措施呢？当温度发生变化时，过量的焊锡在贴片电容上产生很高的张力，会使电容内部断裂或者电容器脱帽，裂纹一般发生在焊锡少的一侧；焊锡量过少会造成焊接强度不足，电容从PCB板上脱离，造成开路故障。
2、墓碑效应(d)Norma1图3墓碑效应示意图在回流焊过程中，贴片元件两端电极受到焊锡融化后的表面张力不平衡会产生转动力矩，将元件一端拉偏形成虚焊，转动力矩较大时元件一端会被拉起，形成墓碑效应。
原因：本身两端电极尺寸差异较大；锡镀层不均匀；PCB板焊盘大小不等、有污物或水分、氧化以及焊盘有埋孔；锡膏粘度过高，锡粉氧化。
措施：①焊接之前对PCB板进行清洗烘干，去除表面污物及水分；②进行焊前检查，确认左右焊盘尺寸相同；③锡膏放置时间不能过长，焊接前需进行充分的搅拌。
本体缺陷一内在因素1、陶瓷介质内空洞图4陶瓷介质空洞图原因：①介质膜片表面吸附有杂质；②电极印刷过程中混入杂质；③内电极浆料混有杂质或有机物的分散不均匀。
2、电极内部分层图5电极内部分层原因：多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧。
瓷膜与内浆在排胶和烧结过程中的收缩率不同，在烧结成瓷过程中，芯片内部产生应力，使M1CC产生再分层。
预防措施：在M1CC的制作中，采用与瓷粉匹配更好的内浆，可以降低分层开裂的风险。
生活中失效的案例
生活中失效的案例引言随着电子制造的高密度化发展和无铅化焊接的高温要求，多层板的层间连接导通孔面临越来越严苛的考验，而导通孔的可靠性在一定程度上决定印制线路板的可靠性。
特别是电子组件（PCBA）的工艺复杂程度在不断提高，印制线路板需要承受多个周期的温度冲击，较高的温度冲击对导通孔内层铜与孔化铜形成较大的应力作用，这就要求生产商不仅要满足相应的出场检验标准，还要从过程控制的角度对导通孔的质量和稳定性进行关注。
印制线路板导通孔出现质量问题的原因有很多，本文基于孔铜断裂的实际失效案例，对孔铜断裂的内在机理进行探讨和分析，并提出工程应用的关注环节和改善方向。
1、案例失效背景某PCB在制造阶段100%测试无异常，在SMT贴片后测试环节发现通孔开路失效现象，不良率在20%左右。
2、CT结构分析对开路通孔进行CT扫描分析，测试结果显示：通孔孔壁均匀性较差，存在异常阴影，见图1（a）；通孔孔铜平直度差。
图1. CT扫描图（a）三维结构图；（b）虚拟切片图3、剖面分析将开路通孔进行纵向剖切研磨，利用场发射扫描电子显微镜（SEM）对通孔剖面结构进行显微观察，结果如图2所示：通孔存在明显的环形裂纹，孔壁粗糙度较大，且PCB整孔不良。
图2.失效通孔剖面形貌如图3、图4所示，孔壁厚度均匀性较差，裂纹萌生扩展区的孔壁有效厚度极小。
SMT回流焊接过程中，PCB经历高温冲击，通孔承受垂直于板面的拉应力作用，孔壁较薄区域属于应力集中区。
此外，值得注意的是裂纹内含有明显异物，异物成分主要为碳、氧元素（见表1），说明PCB除胶渣不够彻底。
图3.失效通孔A区域微观剖面形貌表1. 孔铜裂纹处EDS结果(Wt.%)对通孔开裂区域孔铜的最小有效厚度进行测量，孔铜最薄厚度仅为9.87µm，不符合标准IPC-6012A中关于最小孔铜厚度的要求。
图4. 失效通孔B区域微观剖面结构4、孔铜晶粒形貌分析决定通孔孔铜性能的因素有：1）孔铜宏观结构，如厚度、粗糙度等；2）孔铜微观金相组织，如晶粒形貌。
材料失效事故分析.doc
烟气轮机叶片断裂失效分析43090625 刘禹希事件回放某石油化工公司的100万吨/年重油催化裂化装置中,对回收能量的双级烟气轮机的两级动叶片和一级静叶片进行了改造，经运行6355小时突发异响和强烈振动, 紧急停车开机检查发现：静叶、动叶断裂、严重变形损伤。
通过化学成分分析、硬度试验、金相组织检验及宏观断口分析、微观断口分析，可以得出高温硫腐蚀和局部应力偏高是导致叶片早期断裂的主要原因。
03年某石化公司对上级烟气轮机YLII-70000A的两级动叶片和一级静叶进行造，04年4月21号晚上，烟机机体出现故障，，检查发现：一级静叶有3片叶身完全断裂，其余皆有不同程度损伤和缺失；一级动叶组也有一只叶片从榫槽部断裂，艳轮盘转动反方向的断裂叶片后又10只发生严重弯曲变形和损伤，其余皆不同程度损伤二级动叶和二级静叶组也有不同程度损伤；，截止到事故为止，累计运行6355小时，远未达到设计要求。
材质分析1 化学成分分析：两种叶片材料中各元素成分均达到技术条件要求。
从烟机收集到的金属碎块化学成分基本与K213铸造合金成分相同。
2 硬度试验动叶片材料的硬度接近技术条件规定的要求的上限值事故现场图片断口分析断口形态1断口压痕微观断口分析：1）表面裂纹分析高倍下看裂纹断面呈结晶状穿晶断口，这是高温合金疲劳初期的端口典型状态。
表明局部叶片受到较高的应力载荷。
2)裂纹的剖面分析：结果表明，动叶片榫头受到不同分程度的高温硫腐蚀，并局部形成腐蚀疲劳裂纹，硫化腐蚀形成的腐蚀产物及存在裂纹内会因体积膨胀在裂纹尖端形成张应力，加速裂纹扩展。
因此高温硫腐蚀深造成动叶片早期疲劳断裂的重要原因。
事故原因1）动叶片在使用过程中发生断裂是导致失效的原因，静叶片断裂是由于意外撞击造成的。
2）静叶片组织中存在严重的铸造缺陷。
3）动叶片断裂使腐蚀疲劳引起的断裂，高温硫腐蚀和局部应力偏高是导致叶片早期断裂的主要原因。
震动和局部接触不均匀是断裂的应力因素。
失效分析实例
材料失效分析
材料失效分析
2、实验过程
• 图7 .58是两个断口表面的低倍放大照 片，图7. 59 和这两个端口表面的位 置和方向。在照片中分辨出两个明显 的区域：外表面，即承受载荷时的最 大纤维应力区，没有发生尺寸改变的 迹象，而在中心区域则看到一些尺寸 改变。此外在表面上有一些明显的塑 性变形，应该是发生最后断裂的地点。 • 将钳柄上的塑料套剥掉以曝露钳柄的 区域。钳的前部镀铬，直至塑料套的 边缘。钳柄的表面上有一层乌黑的物 质，该钳必定是要装塑料套后再进行 电镀的。表面上的乌黑层或是塑料套 留下的，或是一种热处理造成的。 • 目视检查后，分三步进行分析以决定 失效的原因。首先评价对改签剪线操 作的设计应力水平，之后对所用材料 及热处理工艺进行金相检验，最后利 用扫SEM对断口进行仔细的检验
材料失效分析
3、实验结果
• 断口形貌
低倍放大的断口形貌如图7.28所示，没有宏观塑性变形的迹 象。裂纹从左边缘向内扩展通过厚度1/4左右，断裂表面粗糙无 规律，而其余的断口表面是光滑的，在光滑的表面上可以看到贝 壳状花纹，故断裂模式是疲劳。粗糙的断口表面显示出这是最后 因超载而分离的区域并向前扩展到一个孔的边缘，表明疲劳裂纹 不是起源于此孔的边缘，而是沿着右边缘的。这一点在观察断口 表面时也就是在切开试样之后得到证实。贝壳状条纹的弯曲部分 表明疲劳裂纹直接起源于另一螺栓孔的下面(图7 .29)，与围绕 该螺栓孔的同心圆槽重合 • 在接近末端处偏离开其中之一螺棒孔的断口表面已严重研 磨（但仍能看到有贝壳状花纹）（图7. 28）而另一端则很少的 磨损伤，并发现有疲劳条纹（图7.31）（疲劳条纹在显微组织复 杂的钢中不常出现。本案例中的显微组织主要是晶粒尺寸均匀的 单相铁素体。）试块切开后产生的断口表面如图7 .32所示，且 有韧窝状的形貌，表面这个区域是因空洞聚集而产生的 •
光伏支架失效案例
光伏支架失效案例
光伏支架失效案例：
1. 强风导致支架变形：在某个地区，突然出现了一次风力较大的天气，光伏场站的支架由于未能承受住强风的压力，导致变形甚至折断，使得光伏组件无法正常运行。
2. 材料质量问题引发失效：在某个光伏场站中，支架使用了质量低劣的钢材，经过一段时间的使用后，支架出现了严重的锈蚀和腐蚀，导致失效。
3. 不良施工引起支架失效：在光伏场站的建设过程中，施工人员没有按照规范进行支架的安装，导致支架的连接处出现松动，最终引发了支架的失效。
4. 设计缺陷引发支架失效：在某个光伏场站中，支架的设计存在缺陷，导致支架无法承受光伏组件的重量，经过一段时间的使用后，支架发生了变形，无法继续支撑光伏组件。
5. 地基沉降导致支架失稳：在某个光伏场站中，由于地基土壤的不稳定性，导致支架出现了沉降现象，使得光伏组件无法保持水平，造成支架失效。
6. 支架连接件损坏引发失效：在某个光伏场站中，支架的连接件由于材料质量不过关或者安装不当，导致连接件损坏，最终导致支架失效。
7. 震动引发支架疲劳断裂：在某个地区发生了一次地震，光伏场站受到了较大的震动，长期以来的震动作用使得支架发生了疲劳断裂，
造成失效。
8. 火灾引起支架失效：在某个光伏场站中，由于电缆短路或其他原因引发了火灾，火势蔓延至支架部分，导致支架受损无法继续使用。
9. 支架设计不合理引发失效：在某个光伏场站中，支架的设计不合理，使得支架在承受一定风压时容易发生变形或折断，造成失效。
10. 环境腐蚀导致支架失效：在某个光伏场站中，由于环境具有较高的腐蚀性，支架的材料无法抵御环境腐蚀，导致支架失效。
材料失效案例分析
案例总结
• 从这个案例可以看出断口金相分析在核设备材料 失效分析中有着重要的地位，从断口分析中可以 得出很多有用的结论，其为断裂失效分析提供了 直观证据，也为螺栓的改进设计与制造提供了有 力的指导，此案例也为后续项目的高强度螺栓的 采购与使用提供了宝贵的经验。
核辅助系统管道焊缝热影响区缺陷
• 一 案例背景 • 二 案例分析 • 三 案例总结
案例背景
• 某核电厂对核2 级304L、316L 奥氏体不锈钢对接 环焊缝液体渗透检查时,发现较多热影响区存在裂 纹。为确认缺陷的性质及成因，业主委托钢铁研 究总院国家钢铁材料测试中心对部分典型缺陷进 行了现场金相检查。
案例分析
• 对PT 显示缺陷所在区域进行打磨腐蚀后宏观观察 到斑点状异常铸态组织（见图一），通过进一步 微观金相观察发现铸态组织区内的裂纹以沿晶开 裂为主，如图 二所示呈现短而粗且弯曲走向。根 据裂纹金相形貌特征和分布区域判断，裂纹具有 典型的热裂纹形态特征，应与不锈钢管道表面局 部非正常熔化的
两案例总结
• 1 金相分析方法是目前国内核电厂设备材料失效分析 的首选手段，在实际应用中应结合具体的失效模式综 合采用不同的金相分析方法； • 2 核电厂设备材料失效案例较多集中于焊缝结构件， 这也从侧面反映个别重要核级设备的焊接技术有待提 高，以及焊接过程质量控制力度有待加大 • 总之，掌握和利用好金相失效分析技术，将有助于国 内核电厂设备材料缺陷和失效的处理，同时对于上游 的设计制造质量也必将起到积极作用，为国内的核电 发展奠定良好的基础。
图一
图二
案例分析
• 通过金相分析得出的裂纹产生原因，业主制定了 对缺陷部位进行局部打磨圆滑过渡并连续两次PT 合格的维修方案。为确认铸态组织及缺陷已得到 彻底消除，现场抽取部分焊缝采用酸蚀或金相方 法进行了进一步确认。
试用两个实际的失案例说明材料实效分析的重要性
试用两个实际的失案例说明材料实效分析的重要性。
（既有文字说明，又有图片说明，不少于800字）案例一：一起来自水管腐蚀失效的案例：广东某钢管公司铺设的自来水管使用六年后发生穿孔泄露。
1.本起穿孔失效发生的地点和环境无规律性，对穿孔管道进行仔细观察，典型的宏观外貌是穿孔部位有一直径为10mm的锈瘤，呈黄褐色，用硬器易刮除，刮除后露出的水管外壁基本平整，可见水从管内渗出。
在锈瘤的外围是一圈黄色锈迹，锈迹外是镀锌层，其上可见分散的白色粉末。
现场观察到的形貌还有一个特点，就是同一根管若出现几处结瘤，这些结瘤点的连线与水管轴向平行。
2.水样检测及钢管材质检测由PH值测定结果可以看出，三处的酸碱度无大变化，。
用原子吸收光谱对钢管成分进行分析看出，材质C、S、P含量均很低，属性能优良的制管材料。
从上述检测可以看出，水质和钢材材质不是本起腐蚀穿孔的原因。
3.钢管镀锌层厚度测量及蚀孔观察对钢管截面进行SEM观察，通过计算估计外层镀锌层的厚度为25um；对两根失效钢管分别编号为A、B，其中A管上有两个蚀孔，B管上有4到5个已穿透的蚀孔。
通过对蚀孔的观察判断本起失效为局部腐蚀即点蚀。
材料成分、水质、镀锌层厚度不是引起失效的原因。
由于蚀孔在管上的分布具有一定规律性，即主要分布在焊缝上，且观察到内壁焊缝处处在一定数量的凹坑，这明显是填料不足引起的，主要还是焊接质量不合格。
通过对该材料失效分析可以找到解决问题的好办法：可以采用自来水管内壁涂料技术，而外壁仍保留原镀锌管的特性。
相关研究表明，涂塑钢管的使用寿命较热镀锌钢管能提高5倍以上，但成本却与热镀锌相仿，从而以较低的成本，解决自来水管易于从内壁腐蚀的难题。
由上面的腐蚀案例分析可以看出，材料失效分析技术及其重要，可以预防事故的发生，水乃生命之源，上面的失效分析可以大大的解决城镇居民的饮水问题，还可以省下大量的成本。
案例二：家用电器热水器管的失效该热水器用进口的TP2Y管，使用中开裂造成住户水漫金山，损失惨重。
钛合金的常见缺陷及其控制
20034172M三级静子内环缺陷位置
二.近年来钛合金典型失效案例-案例六
缺陷处的金相形貌
二.近年来钛合金典型失效案例-案例一
断裂处
失效钛合金旋翼主桨毂中央件外观
二.近年来钛合金典型失效案例-案例一
源区处的熔滴形貌
二.近年来钛合金典型失效案例-案例一
源区处熔滴表面形貌
二.近年来钛合金典型失效案例-案例一
分析结论：
1. 中央件断裂性质为高周疲劳断裂，裂纹萌生应力较小； 2. 钛合金表面的熔滴是导致疲劳裂纹萌生的原因； 3. 建议进一步查找钛合金熔滴的来源。
二.近年来钛合金典型失效案例-案例三
管材内表面上花斑及裂纹形貌
二.近年来钛合金典型失效案例-案例三
内表面一侧
从内表面起源的裂纹金相形貌
二.近年来钛合金典型失效案例-案例三
分析Байду номын сангаас论：
1. TA15钛合金管材轴向裂纹是从内表面的花斑处线状
起源，向外表面扩展，为晶间开裂特征； 2. 内表面局部短时超温形成的花斑和表层残余拉应力 的共同作用导致了管材表面裂纹的产生； 3. 花斑的形成可能与管材表面的污染有一定的关系。
二.近年来钛合金典型失效案例-案例五
TB3钛合金螺钉断裂失效分析
M4×10和M4×14两种不同规格钛合金螺钉在使用
限力扳手进行装配预紧时，在达到规定的扭转力矩之 前，各有两螺钉发生断裂。两规格螺钉材料均为TB3钛 合金，钛丝生产工艺过程为：真空冶炼→锻造→轧制 →冷拉→真空退火除氢检验。
二.近年来钛合金典型失效案例-案例五
表面“白斑”的宏观形
貌
二.近年来钛合金典型失效案例-案例二
基体处正常金相组织
“白斑”处金相组织
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 另外，该风机在运行中的振动较其他风机 高，会造成振动疲劳与旋转弯曲疲劳的联合 作用，也导致轴的疲劳寿命降低。导致该风 机振动增加的因素可能与表面焊接时形成的 缺陷有关，应注意检查。当更换新轴后的振 动依然未能解决，应从安装上查明原因，减 小其振动。
8.1.4 结论 （1）此次风机轴断裂为低应力疲劳断裂，断裂由 轴表面三处缺陷的根部起始，扩展后汇合形成开 裂。 （2）轴疲劳开裂的直接原因是在轴的最大受力面 有严重的缺陷。 （3）缺陷的形成为轴表面焊接时的焊接缺陷造成 的。表面焊接材料为近似20钢，在轴的台阶过渡处 形成多处虚焊。 （4）轴的基体材料组织存在w组织，同时风机运行 中振动较大，影响轴的使用寿命，建议加以更改。
表8-2 不同齿的硬度测试结果结果
注：齿顶1靠近断口处，齿顶2、3为相邻的齿。
8.2.3 讨论 • 上述分析可以确定，齿轮的开裂属疲劳开裂。导 致齿轮早期开裂的主要原因是：①齿轮表面尤其是 齿根部位硬度偏低，齿轮根部一方面要承受齿轮运 转中轮齿啮合时的较大弯曲应力；另一方面，齿轮 啮合表面产生较严重的磨损和接触疲劳，形成齿面 上的剥落坑，使得齿轮在传动过程中产生冲击和较 大的振动，低硬度的齿根不能承受这样的载荷，疲 劳裂纹即从轮齿根部形成并扩展。
图8-8 硬度测试结果
2. 缺陷的形成与致断原因分析 • 由上述实验和分析，可以认为缺陷的形成过程 为：该轴安装轴承的轴表面经过表面补焊或堆焊处 理，焊接材料为近似20钢。在焊接时，由于轴的台 阶结构和散热，在台阶过渡处形成多处虚焊点，即 轴上观察到的多处缺陷。这些虚焊表面，形同轴内 存在宏观裂纹。轴在运行中，在这些缺陷根部以疲 劳裂纹源的形式导致疲劳开裂。
• 当缺陷达到一定尺度，尤其是片状缺陷，则缺陷 为疲劳断裂过程提供了现成的疲劳源。疲劳断裂不 需经过裂纹的萌生期，而直接在缺陷根部扩展，这 将极大地缩短零件的疲劳寿命。由于缺陷根部存在 较大的应力集中，在其根部可见大量细小疲劳裂纹 台阶，而这每一个台阶间即对应一个疲劳裂纹源， 疲劳裂纹源的数目可表示为n+1个（n为对应的疲劳 台阶数目）。应力集中程度越大，则形成的疲劳台 阶数目越多，疲劳裂纹源就越多。分析图8-4的缺陷 根部疲劳台阶的数目和形态，可大致确定裂纹首先 在A处起裂，而B处和C处的开裂略晚。
图8-11 断口的枯木状形态，有 大量的碎块状夹杂和二次裂纹
图8-12 断面上大晶粒开裂的形态， 开裂断面上有断续的疲劳痕迹
图8-13 二次裂纹形态，裂纹内有碎块 状夹杂，裂纹两侧晶粒磨损挤压痕
图8-14 开裂面边缘形态，表面明 显变形、磨损，有小深的微孔
8.2.2 齿轮材料金相组织与性能硬度分析 • 为了进一步确定齿轮开裂的原因，在开裂 的齿面不同部位取样，进行金相分析，各部 位典型组织形态为粗大的铸态组织，如图815所示。从图8-15可知，齿轮齿面的组织形 态与心部基本相同，组织中存在较大的夹杂 物和铸造缺陷，这是导致材料疲劳强度降低 的主要因素。
• 由以上分析可以确定，此次断轴的断裂性 质为疲劳断裂。疲劳裂纹在断轴危险截面的 三处主要缺陷处起裂，然后作低应力扩展。 由于所承受载荷为旋转弯曲载荷，因此，在 轴的圆周上存在多处开裂点。
8.1.3 缺陷与断裂原因分析 1. 缺陷与组织分析 • 金相组织分析显示，在轴表面有一厚度约 0.6mm白亮层。在扫描电镜上对缺陷部位和 基体金属进行能谱衍射分析，结果显示在缺 陷部位的金属成分与基体相同，主要元素为 Fe，有少量的Mn，未发现其他元素成分。
• 在裂纹起始区和扩展区取样，在扫描电子 显微镜下分析断口的微观形态，如图8-5、图 8-6所示。在裂纹起始区（缺陷根部）可见大 量的微观台阶，这些台阶是在局部较大应力 集中作用下疲劳裂纹起始时形成的。 • 在裂纹扩展区为典型的解理断裂，可见珠 光体解理形貌，这是在调质组织中常见的疲 劳裂纹扩展区形态。
• 整个齿轮的齿面损伤比较严重。在断裂的 齿面和没有断裂的齿面上，均有大量的麻 点，有的地方已形成剥落坑，见图8-10。
2. 微观分析 • 断口疲劳开裂区的微观形貌如图8-11～图8-14所 示。图8-11为齿根开裂源区形貌，断面呈现枯木状 断裂形态，有许多块状碎裂的夹杂物，其上分布二 次裂纹；图8-12所示断口上难以观察到明显的疲劳 断裂形成的疲劳条痕，只在局部晶粒上有类似于疲 劳条痕的断裂形态；图8-13显示在二次裂纹部位可 以观察到裂纹内有较多的碎块状夹杂，两侧晶粒有 明显的摩擦痕迹；图8-14表明断面边缘也有明显的 磨损挤压形态，局部的微孔深、孔口小，属于夹杂 脱落导致。
8.1.1概况 • M5-36-11No.20.5风机原设计的部分参数： • 设计功率：710kW，电动机转速：1480r/ min，飞轮力矩：36.3N· m，叶轮质量： 788kg；主轴质量：285kg，主轴材料：45 钢，轴长度：1889.9mm；中心距： 816.9mm，叶轮力臂长度：575.9ram，临 界转速：2221r/min；转速系数：1.5。 • 风机主轴结构与尺寸，如图8-1所示。
• 轴的断裂位置如图8-1所示。由图8-2的受力 分析可知，其断裂面发生在轴的应力最大面 上的台阶过渡处，即使用中的危险截面。检 查发现该轴台阶处过渡圆角半径为R5，但圆 弧加工不光滑，在圆弧连接处存在较明显的 “切根”现象，在此处可产生较大的应力集 中。
• 另外，现场检测人员发现在使用中，该轴 的振动较其他风机严重。其他风机的水平振 动和垂直振动均为20μm左右；该轴的水平 振动为50~60μm，垂直振动为40~50μm， 均比其他四台风机振动大约30μm。标准规 定该类风机的振动要求（标准参数由使用厂 提供）为：20μm以下为优，40μm以下为 良，超过80μm为不合格。显见，该风机使 用中的振动情况虽然在规定的合格范围以 内，但已超出“良”的要求。
8．2矿井提升绞车减速齿轮早期开裂分析 • 某矿主井提升绞车减速器二级齿轮，在安装使 用不到2年时发生齿轮齿面开裂，而该设备按设计 要 求应正常运行15年以上。矿井提升绞车不仅担负着 矿井煤炭提升运输的主要任务，而且其付井还承担 人员的提升运输，一旦减速器齿轮开裂导致提升机 失控，对矿井生产和安全将造成严重影响。因此， 有必要对开裂的齿轮进行综合分析，查找造成齿轮 开裂的原因，以避免事故的发生。
• 轴的基体组织中P含量偏高，且有明显的w组织。 该组织既不同于45钢正常正火组织，也不同于45钢 调质组织。组织分析认为，该组织的形成与该轴热 处理时加热温度偏高，而冷却时冷速较正常正火冷 速快有关。虽然该类组织在此次轴的开裂中不是根 本性的因素，但此类组织可降低轴的疲劳强度。尤 其该风机设计安装时将风机叶轮由19.5D改为 20.5D，增加了轴的负荷，因此，在更换新轴时应 注意对轴的热处理规范的控制。
• 在断口上宏观可见三处明显缺陷A、B、 C，缺陷A根部有明显裂纹起源时形成的台 阶。A、B两处缺陷形成的裂纹基本在一个平 面上扩展，很快汇合形成一个的裂纹；C处的 裂纹扩展缓慢，最后断裂时与A、B裂纹形成 一个不大的撕裂台阶。由此可知，裂纹均从 缺陷的根部形成并扩展。
a）
b）
图8-4 断口缺陷处裂纹形貌（3×）
图8-9 开裂齿轮形态及齿面
上裂纹的分布形态
• 为了确定齿轮开裂的性质，将开裂齿轮打 开，得到的齿轮开裂面形态如图8-10所示。
图8-10 断口宏观特征
• 断裂发生在齿轮齿根处。从断面裂纹扩展 宏观形态（见图8-10）可以确定，断裂属于 疲劳断裂特性。裂纹疲劳扩展区比较光亮， 呈半椭圆形形态，可隐约观察到裂纹扩展过 程中形成的疲劳弧线。裂纹疲劳扩展到一定 尺寸后在外力作用下快速扩展，形成过载开 裂形态，在疲劳断裂区边缘有明显的裂纹扩 展形成的撕裂棱，开裂面粗糙，有清楚的放 射状花样。
②粗大的铸态组织和夹杂物以及钢中的铸 造缺陷提高了裂纹的扩展速率da/dN（mm /次），导致疲劳裂纹快速扩展，加速了断 裂的过程。 ③从齿轮齿面磨损和剥落坑形态以及断齿的 疲劳区与最后瞬断区的比例可以看出，齿轮 的实际运行载荷较大，为裂纹的形成和扩展 提供了力学条件。
a）A处பைடு நூலகம்
b）B处
图8-5 缺陷根部裂纹 微观形态（150×
图8-6 裂纹快速扩 展区解理（250×
• 从宏观断口分析可知，裂纹起源于轴的缺 陷处，因此，轴上的缺陷对裂纹的形成有决 性的作用。为了进一步分析缺陷的作用及缺 陷处裂纹的形成过程和裂纹形态，在图8-4中 示出宏观断口上严重缺陷处的放大形貌。由 此可知，裂纹均从缺陷的根部形成并扩展。
C）
d）
C）心部组织及夹杂物 1（500×）
d）心部组织及夹杂物 2（500×）
• 取断齿及相邻的轮齿，检验齿轮的硬度， 结果列于表8-1和表8-2。齿轮硬度较低，齿 面硬度只有30HRC，与齿轮心部硬度相差不 大。尤其齿根硬度偏低，只有25HRC。
表8-1 单齿硬度测试结果
（单位：HV0.1）
• 在焊接表层金属的过程中，在焊接热影响 区使基体部分金属温度达到其临界温度，从 而在其后的冷却中发生马氏体相变。
• 缺陷处从表面到基体的硬度值测试结果如 图8-8所示，表层白亮区硬度很低，硬度值为 220HV0.1，淬火区M的硬度为386HV0.1，基 体硬度为250HV0.1。
图8-7 缺陷处表层组织 形态（50×）
• 风机轴受力分析与计算如图8-2所示。
• 经力学计算校核的部分数据： • 危险截面应力：16.64MPa；强度系数：3.3。 • 在设备安装时，经设计、使用、制造单位同意， 将原设计的19D改为20.5D，经计算： • 叶轮重量=8470N；危险截面计算扭矩 Mn=4581N· m；危险截面应力σmax=17.25 MPa。 • 45钢许用应力[σn]=55MPa，σmax<[σn]。 • 同时，根据行业标准，主轴临界转速系数应不小 于1.3，该风机主轴的临界转速系数为2.14，符合要 求。
• 在交变载荷作用下，金属疲劳裂纹的形成 一般经过三个阶段。疲劳源形成阶段、裂纹 疲劳扩展阶段和失稳扩展（快速断裂）阶 段。疲劳源的形成和形成阶段所需载荷交变 循环次数对疲劳断裂有很大影响。在光滑零 件表面，当交变载荷低于材料的疲劳极限 时，疲劳裂纹源难以形成，即不可能发生名 义上的疲劳断裂。但当零件表面存在缺陷 时，裂纹源即在缺陷导致的应力集中作用下 形成。