化工设备失效分析基础

变形过量 形位失效 机 械 零 件 失 效 损耗过量
磨损
腐蚀
承载失效
其它功能（声、光、电、磁、热等）失 效
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★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。
（八）调查技术
（九）统计分析法
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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。
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第八节
我国失效分析工作的发展与现状
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二、金属晶体中的结构缺陷
点缺陷 晶体中的结构缺陷
线缺陷 面缺陷
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（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。
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（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。
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。
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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。
（本节自学）
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第二章
金属学及化工结构用钢的基础知识
固体材料 强度或抗断裂的性能和抗 变形的性能
原子间的结 合力（键）
共价键：非金属原子之间 常 见 的 结合键
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。
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如：Cr, α-Fe, β-Ti, W, Mo, Nb, V
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晶胞中的原子数：12 1 2 1 3 6
致密度：
6 2
4 6 r 3 nv 3 K 0.74 V 3 3 2 a 1.633a 2
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如：Mg, α-Ti, α-Co, Zn
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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。
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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）。
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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。
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。
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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。
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刃形位错
位错类型
螺形位错
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位错的移动
滑移 攀移
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（三）面缺陷——界面及表面
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（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。
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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。
现场失效分析 工程失效分析 事后分析、事中分析、事前分析
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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。
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（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。
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第五节
失效分析与设备管理
(本节自学）
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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
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。
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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。
致密度：
4 4 4 r 3 4 r 3 nv 2 3 3 K 0.74 3 3 V a 6 4 r 2
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如：Al, γ-Fe, β-Co, Ni, Cu，Ag, Pt, Au
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1 晶胞中的原子数： 8 1 2 8
致密度：
4 4 2 r 3 2 r 3 nv 3 3 3 K 0.68 3 3 V a 8 4 r 3
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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, p
1 1 1 h k l : : : : h:k :l m n p E E E
E为m、n、p三数 的最小公倍数，h、 k、l均为简单的整 数
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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。
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形变强化的宏观规律表现在流变阶段。此时 有规律:
S Ke
n
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。
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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
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相界：不同相的两种晶体的交界面
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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 变 e 之间的关系为：

、真应力 S 及真应
S (1 ), e ln(1 )
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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。
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（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
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（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
式中
叫做取向因子。
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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。
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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
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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。
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。
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第一节
系统和零构件的失效和失效分析
力学 弹性的 塑性的 整体的 范围 局部的
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第二节
致零构件失效的因素和失效模式
组织 性能 缺陷 各 种 形 式 的 失 效
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） 负荷（机械力） 外因 环境 介质
内因
应力
温度
辐照
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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
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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 种 类
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
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失效分析的目的：责任分析和模式分析 失 效 分 析 分 类 在产品制造和发展的不同阶段，有不同性 质的失效分析
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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。
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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： P P cos cos A A
（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。
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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。
化工设备失效分析基础
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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
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第一章
4，机械性能试验
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（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。
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（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
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物质结 合力
图2-1
物质的熔点、 强度、硬度
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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 面心立方（图2—4） 金属晶 体点阵
体心立方（图2—5）
密排六方结构（图2—6）
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1 1 8 6 4 晶胞中的原子数： 8 2