失效分析实例

表2 硬度测试结果
1. 4 金相检验 在断齿上取断齿截面做金相检验。心部的金相组织为： 回火索氏体；硬化层的金相组织为：淬火马氏体,见图3、4。
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图3 心部金相组织×500
图4 硬化百度文库金相组织×500
按技术要求,齿面和齿根淬硬层硬深2～4mm。对断齿横 截面金相试样进行低倍观察淬硬层分布，齿面两侧硬化层 分布不均匀,啮合侧硬化层深度为2～4 mm ；非啮合侧硬化 层深度只有0～2 mm ； 齿根部未发现有硬化层，见图5 、 图6 。
图1 断裂轴齿轮宏观照
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1.轴齿轮断齿检测分析 1. 1 宏观分析 1. 1. 1 着色渗透探伤 对该断齿轴齿轮表面进行着色渗透探伤，发现有14 根齿根 部出现裂纹，裂纹总数量为17条，长度40～300 mm不等;并有 4 处齿顶崩落。 1. 1. 2 断口分析 对断齿的断口进行宏观断口形貌分析(图2) 。断口为明 显疲劳明断口，疲劳源位于齿轮的啮合面的根部，呈现多 源疲劳特征，裂纹扩展区面上有明显的疲劳贝纹,最后瞬断 区位于齿轮非啮合面的根部，瞬断区的面积占整个断面面 积约20 %。整个断面无塑性变形。折断齿的啮合面有明显 的纵向刀痕,在齿轮体上呈凹窝状。
3 改进措施
通过以上分析，齿轮失效的主要原因是表面耐磨性差、 心部强度低。建议采取如下措施： （1）改进热处理工艺参数，保证调质后能获得细小均匀的 回火索氏体组织。
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齿轮淬火温度应选择在840～860℃，使用浓度为0.2%的 聚乙烯醇合成淬火剂，保证淬火后得到马氏体组织。经540～ 570℃回火后的组织为细小均匀的回火索氏体，硬度241～286 HBS，以保证齿轮心部的综合性能。
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裂纹源
1. 2 化学成分分析
图2 断齿断口宏观形貌
该轴齿轮的材质为50SiMnMoV，在断齿上取样进行化学成分 分析，结果见表1。可以看出Si、Mo、V含量偏低,其他元素 符合标准要求。
表1 化学成分分析结果 %
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1. 3 硬度测试
在断齿上分别对齿的硬化层及心部取样进行硬度测试， 结果见表2。按技术要求:齿部淬火后硬度45～50HRC；调质 处理后硬度241～286HB。淬硬层硬度和心部硬度均符合图纸 要求。
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由硬度分布结果可以看出，轮表面硬度低，基本不呈阶 梯分布，表层无硬化层。高频淬火工艺没有有效地实施，致使 齿轮表面没有淬硬层，当齿轮在运行过程中受到很高的反复接 触应力时，就会产生疲劳，造成齿轮啮合面变形，使磨损增加， 形成片状剥落和椭圆形麻坑等典型的点蚀缺陷。由此可见，齿 轮出现点蚀损伤的主要原因为齿轮表面至心部存在强度很低的 铁素体，当受到应力时，就会产生剥落。
3. 分析与结论
通过对集输管道腐蚀产物和材质夹杂物分析结果可 看出, 腐蚀产物主要是铁盐、铁氧化物、二氧化硅和硫酸 钙盐等, 夹杂物主要是铝酸钙、铝酸镁和氧化铝等。 腐蚀产物中铁氧化物来源主要是腐蚀管道存放时, 大气中的氧对腐蚀产物及材质作用而产生的, 属于二次 腐蚀产物。
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腐蚀穿孔在管道底部, 输送的介质为含油污水, 污水中氯化物 矿化度较高, PH值为左右6.5,介质有一定腐蚀性, 当流体缓慢 输送时, 流体中的泥沙固体颗粒或沉淀物沉积在管线底部, 引 起管道局部腐蚀, 尤其是在夹杂处腐蚀更易发生。受腐蚀的局 部点成为阳极, 其它地方为阴极, 腐蚀不断进行, 最终造成管 线腐蚀穿孔。
图2 腐蚀产物的XRD图谱
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取下腐蚀管材上的腐蚀产物, 利用X-射线衍射仪进行了物质 组成分析, 结果如图2所示。图结果表明, 集输管道的腐蚀产物 主要为铁的氧化物（FeO（OH））, NaCl和少量残Fe2O3。
1.3 环境扫描电镜(EPMA)分析
对已经腐蚀的管道, 分别用线切割截取小块腐蚀穿孔部 位, 截面抛光后对其腐蚀部位进行电子探腐蚀产物的元素 组成见1表。
5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论
6、重现性试验或证明试验
7、撰写失效分析报告
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一、腐蚀失效
腐蚀失效分析的内容及步骤：
1、详细勘察事故现场。
2、腐蚀形貌宏观分析。 3、腐蚀产物分析。 4、腐蚀形貌微观分析。 5、对材料性能进行复检。 6、失效模式的判断及重现性试验。 7、综合讨论及总结
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预防腐蚀失效的一般原则：
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图5 齿面硬化层
图6 齿根硬化层
1.5 微观断口分析 对断齿的断口进行扫描电镜断口形貌分析，断口为准解 理断口形貌，裂纹起源处有明显的指向裂纹源的放射性花样， 在裂纹扩展区处有疲劳辉纹，见图7 、图8 。
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图7 裂纹起源处放射性花样
图8 裂纹扩展处疲劳辉纹
2 分析与讨论 (1) 轴齿轮服役受力 如图9 所示,齿轮通过轴作用在齿根部 过渡圆角的最大正应力应位于齿根部过渡的平分线上,失效轴 齿轮的裂纹扩展面—断口也正位于最大正应力面上。因此齿 根处承受的弯曲正应力最大。轴齿轮要求齿轮的齿根和齿面 进行硬化处理,其目的是提高承受最大弯曲正应力处且又是应 力集中部位的齿根的表面硬度、提高抗弯曲疲劳强度 。齿面 的硬化处理目的是提高齿面的耐磨性和接触疲劳性能。
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磨损失效分析的内容：
1、磨损表面形貌分析。
2、磨损亚表层分析。
3、磨屑分析。
腐蚀失效的预防措施： 1、改进结构设计及制造工艺。 2、改进使用条件，提高维护质量。
3、工艺措施。
4、材料选择。
5、表面处理
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实例1 油气集输管道腐蚀失效分析
某油田的管材和管网易出现腐蚀穿孔，试用学过的 知识对其失效形式进行分析，并提出合理的建议和预 防措施。 针对中原油田腐蚀穿孔的油气集输管道的管材和 腐蚀产物分别进行元素及化合物分析、夹杂物分析， 从而为油气集输系统腐蚀失效的有效防护提供理论 依据。
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1. 腐蚀形貌和腐蚀产物分析
1.1 腐蚀形貌和腐蚀产物分析 该油田集输管道腐蚀穿孔部位的形貌见1图。
图1 集输管道的腐蚀形貌
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图1的腐蚀形貌表明, 集输管道内壁存在较严重腐蚀, 表 面虚浮, 有很多腐蚀产物和锈垢, 沿液体流动方向出现线状 腐蚀穿孔, 由内向外, 为内腐蚀穿孔, 从形貌上看腐蚀破坏 还包含一定的流体冲刷作用。 1.2 X-射线衍射（XRD）分析
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微镜上进行观察，未损坏齿轮齿顶、节圆和心部金相组织见
图1（a）、（b）、（c）；损坏齿轮的组织见图1（d）。
1.4 金相检验
对制备好的试样，在FM-700 型显微硬度计上用9.8 N
（1 kgf）的实验力，分别在齿顶和节圆处由表面垂直向里测
定硬度，结果见表1。
图1失效（d），未失效（a，b, c）
表1 腐蚀有产物元素组成
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由1表可知, 腐蚀产物中主要有FeO，NaCl 口,SiO2, 少量 CaSO4和Al2O3等化合物。 腐蚀边缘形貌及元素面分析见图3。
图3 腐蚀穿孔处截面形貌及元索面分析
由图3可见, 腐蚀由里向外发展, 管材依次减薄直至穿孔, 腐蚀边缘表面元素主要有O、Cl 和Fe等。对比腐蚀处与钢基 处元素成分可知, 腐蚀后表面的O、 Cl元素的原子分数均增 大。
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疲劳断裂的预防措施:
1、延缓疲劳裂纹萌生的时间。
2、降低疲劳裂纹的扩展速率。
3、提高疲劳裂纹门槛值的长度（△Kth）。
4、合理的选择材料。
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三、磨损失效分析 磨损失效分析的步骤： 1、现场调查及宏观分析。
2、测量磨损失效情况。
3、检查润滑情况及润滑剂质量。
4、摩擦副材质的检查。
5、进行必要的模拟试验。 6、确定磨损机制，失效原因，提出改进措施。
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失效分析的步骤： 1、现场调查
保护现场；查明事故发生的时间、地点及失效过程； 收集残骸碎片，标出相对位臵，保护好断口；选取进 一步分析的试样，并标明位臵及取样方法；询问募集 者及其他有关人员，了解有关情况；写出现场调查报 告。
2、收集背景材料 设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期， 设计参数等；设备的运行记录；维修历史；失效历史； 选材依据等。
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实例2 40Cr 齿轮失效分析
齿轮在运行过程中，啮合齿面之间既有滚动，又有滑动，
而且齿轮根部还将受到交变弯曲应力的作用，要求齿轮表面有
较高的硬度及耐磨性，心部具有较好的强韧性。齿轮材料为 40Cr，热处理工艺为调质后表面进行高频淬火，技术要求:表
面组织为回火马氏体（50﹀55 HRC），心部为回火索氏体
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2. 管材组织和杂物分析
2.1 管材的化学组成分析 对集输管道分别钻取小样, 进行钢材的化学成分分析, 并与《中国钢铁材料牌号手册》(1994)的标准值进行比较, 结果列于表3。
表3 集输管道试样的化学组成分析 W，%
由3表的对比结果可知, 集输管道的化学成份基本在标准 范围内。
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2.2 夹杂物分析
（2）高频淬火时，加热温度控制在860～880℃，采用 10%～15%的乳化液冷却，经180～200℃回火后，硬度为 50～55 HRC；同时保证硬化层深度达到技术条件，从而提 高了齿轮表面的塑性变形抗力并减少了齿面间的摩擦系数， 增强了齿轮抗磨损性能。
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实例3 齿轮断齿失效分析
一人字形轴齿轮在检修时发现动力输入侧齿轮上一个齿 从齿根处整体断裂,见图1 。该人字形轴齿轮材质为 50SiMnMoV ,共有34 根齿。技术要求为：热处理工艺，调质 处理+ 表面淬火;调质处理后硬度241～286HB ,齿部淬火后硬 度45～50HRC ;齿面和齿根淬硬层深2～4 mm。
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3、技术参量复验
化学成分；金相组织和硬度及其分布；常规力学性能； 主要部件的几何参量及装备问题。
4、深入分析 失效分析的直观检查（变形、损伤情况，裂纹扩展， 断裂源）；断口宏观分析及微观形貌分析；无损检测 （涡流、着色、磁粉、X射线、超声波等）；表面及界 面成分分析；局部及微区成分分析；相结构分析；断 裂韧度检查，强度，韧性及刚度校核。
（241～ 286 HBS）。齿轮使用一段时间后，表面出现了严重 的点蚀损伤。试用学过的知识对点蚀产生的原因进行分析，并
提出相应的改进措施。
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1.1 原材料分析
通过DV2 型直读光谱仪测定齿轮原材料的化学成分（质
量分数，%）为：0.41C，0.28Si，0.64Mn，0.91Cr，符合材
料标准要求。 1.2 扫描电镜分析
对取回的集输管道割取小块, 经表面抛光后在电子探 针下观察钢材中夹杂物分布和组成情况。夹杂物基本上均 匀分散在整个钢材中。其中质量分数较大的一种球状夹杂 物, 由其元素分析可知主要为铝酸镁夹杂物。另外集输管 道钢材中还含有其它两种质量分数较小的夹杂物, 元素分 析表明, 该夹杂物主要为铝酸钙以及铝酸镁和铝酸钙的复 合夹杂物。
从齿轮损坏处取样，经JSM-6380LA 型扫描电镜观 察，齿轮损坏处表面形成了严重的凹凸伤痕面、椭圆形剥 落麻坑和片状起皮等缺陷。
1.3 金相检验 根据ZB J36 009-88(钢件感应淬火金相检验)标准，检 验的试样分别在齿轮损坏处和未损坏处截取， 试样制备
后用4%硝酸酒精浸蚀。在EPIPHOT-300 型尼康金相显
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在图3所示腐蚀界面上, 选取了离腐蚀穿孔处不同距 离的两点（1，2）, 进行了元素点分析, 结果见表2。
表2 腐蚀产物元素组成
对比1, 2两点的元素组成可以知道, 距离腐蚀孔较远处 （点1）主要为Fe和O元素, 靠近腐蚀孔处（点2）则主要含 有Fe、O和Cl元素, 因此可以认为在管道腐蚀穿孔过程中, Cl 元素在腐蚀孔附近浓集, 加速了管道的腐蚀破坏。
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表1 齿轮表面的硬度(HV1)分布
2.实验结果与分析
由检测结果可知，齿轮原材料的化学成分是合格的。金 相分析时，发现未损坏的齿轮齿顶和节圆处表层组织为回火索 氏体，晶界上分布着细小网状铁素体，表层未发现马氏体组织， 心部存在着托氏体和网、块、条状铁素体，见图1（a）、 （b）、（c）；损坏的齿轮整个表面至心部组织出现严重的塑 性变形和塑性流动，并在节圆处有压溃裂纹，裂纹的扩展方向 与塑性变形方向一致，见图1（d）。
1、正确分析腐蚀失效原因和确定腐蚀失效模式。 2、正确选择材料和合理设计金属结构。 3、查明外来腐蚀介质的性质并将其取出。 4、隔离腐蚀介质。 5、采用电化学保护措施。
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二、疲劳断裂 疲劳断裂失效的原因:
1、零件的结构形状。
2、表面状态。 3、材料及其组织状态。 4、装备与连接效应。 5、使用环境。 6、载荷频谱。