(3.4)--第4章-失效分析实验检测技术及选用（2）.pdf

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1、第4章 失效分析实验检测技术及选择 4.6 应力分析方法及选择 应力分析：根据零件大小、形状以及载荷等因素，采用理论计算或实验测试方法，确定零件在服役中所受应力大小，以判断材料或构件失效的原因，或为断裂力学分析做准备。应力分析包括三个方面 理论应力分析；实验应力分析；残余应力分析。（1）理论应力分析（1）理论应力分析 对受拉、压、弯、扭等载荷零件，若已知载荷性质、大小及零件几何尺寸等，可由材料力学和工程力学中有关知识和公式求解、计算。分析目的：校核强度。例：一薄壁压力容器，设内压强为P Kg/cm2，壁厚为t，平均直径为D（te，即t2e 因此，压力容器：易沿着环向截面发生破坏；故用钢板做这类

2、容器时要注意：应使钢板轧向（流线方向）去承受较大的环向应力t（钢板卷圆方向与钢板轧制的方向一致）；纵焊缝的应力是环焊缝应力的两倍，组焊时先焊纵缝，再焊环缝。（2）实验应力分析 应以确定构件实际受力时的应力状态，是失效分析重要手段。1）特点 不受零件形状限制，对理论分析难求解的问题，可得到满意结果。可测零件工作时真实应力或找出最大应力位置和大小。实验应力分析方法：Kg Kg/cm2 电学：有电阻、电容、电感等，电阻应变计测量技术应用较为普遍，效果较好。光学：光弹性法等。声学：声发射技术等。此外，还有X射线测定法等。电阻应变计法 原理：将电阻应变片贴在被测构件表面，当构件在应力作用下发生变形时，应

3、变片随之变形引起电阻变化，通过电阻应变仪测出电阻值变化值，并换算成应变值或输出电压或电流值并记录，或由计算机进行处理，得到所需的应变或应力值。电测法特点：A.测量结果以电信号输出，便于自动化和数字化，并能进行远距离测量及无线遥测。B.可在高（低）温、高压、高速运转及强磁场等环境下测量；C.灵敏度和精确度高，可分辨一个微应变1。D.重量轻、体积小，方法简便易掌握。缺点：只能逐点测量表面的应力，不能直接得出应力分布的全貌。光弹性法（光测法）光弹性原理：即用光学原理研究弹性力学问题。某些透明、非晶高分子材料受载荷时，呈现光学各向异性，使一束垂直入射偏振光沿材料中两主应力方向分解成振动方向互相垂直、传

4、播速度不同的两束平面偏振光，也就是由于应力的存在，会产生光的暂时双折射现象；再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的干涉条纹，干涉条纹的疏密程度取决于应力大小，根据干涉条纹即可推算出构件内的应力分布情况。光弹性法：可研究几何形状和载荷条件较复杂的构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力问题，对失效分析、断裂力学分析提供依据。光弹性实验步骤：A.用具有双折射效应的透明塑料制成零件模型；B.将零件模型置于白光光源的圆偏振光场中；C.施加一定载荷，模型上便产生等色线或等差线干涉条纹图形。D.由干涉条纹疏密程度判断零件的应力集中点，测量干涉条纹，通过计算就能确定模型受载时

5、各部位应力大小和方向。采用的理想材料：须具有较灵敏的应力双折射效应，无色透明，材质均匀，在受力前是各向同性。广泛采用的材料：环氧树脂；明胶；聚亚胺酯橡胶。光弹性法多与与电测法配合使用 光弹性法：测出应力集中点；电测法：测量出应力集中点的应力大小。脆性涂层法 在工程构件表面喷涂特殊的涂料，经干燥后，形成表面脆性薄膜，当构件加载产生应变达到某临界值，该涂层就出现与主应力方向垂直的裂纹。由涂层表面的裂纹图，可观察到构件表面各处主应力大小和方向的分布状况。最先出现裂纹的部位是拉应力最大的部位；与裂纹方向垂直的方向即为最大拉应力方向。且应变越大，裂纹越密。主要用途：测出最大应力区和主应力方向，作为电阻应

6、变计测量技术的辅助方法。脆性涂层材料 树脂和溶剂制成的脆性漆 如：118氢氧化钡制成的松脂酸钡100克二硫化碳溶剂；又如：松香氢氧化钡制成的松脂酸钡二硫化碳溶剂；可加入增塑剂、填充剂、干燥剂等，以控制涂层开裂灵敏度，改善涂层性能。陶瓷型涂料 脆性涂层法特点：全域性测量，不受零件形状、载荷等限制，既可用于模型试验，也可用于实物测量。对应变分布给出总体结果，直观性强，设备、工具简单、方便、迅速、经济性好。测量结果受温度、湿度影响大，精度不高，只作定性试验。与其他方法（电测法）配合：脆性涂层法：了解零件上应力大致分布，找出最大主应力区和主应力方向。电测法：测量出准确的应力值。声弹性声弹性法：法：利用

7、超声剪切波的双折射效应测量应力的一种方法。超声波在有应力的介质中传播时，其剪切波沿两主应力方向发生偏振，两偏振波以不同速度传播。由应力-光学定律：沿主应力方向的两超声剪切波的速度差与两主应力差成正比。该比例系数称声弹性系数，与材料的弹性常数有关。应用：可测非透明材料的内部应力，或焊接件的残余应力。（3）残余应力的测量与分析 零件在铸、焊、锻、热处理、机加工等制造过程中都会引起残余应力。残余应力成因复杂、理论计算困难，多用实测法测定。不良作用：残余应力存在将引起 零件机械强度降低，特别是疲劳强度；残余应力松弛，使零件变形、开裂及设备精度降低。促进应力腐蚀的产生。因此，应对它进行测定和评价分析。残

8、余内应力分类 德国学者马赫劳赫提出的分类方法，残余内应力分为三类：第类：存在于材料中较大区域（多晶粒）内，并在整个物体各截面保持平衡的。当其平衡受破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。第类：存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部）。第类内应力：存在于极小范围（几个原子间距）。工程上所指残余应力第类残余内应力。工程界习惯按其产生工艺来分类和命名，如：铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力等，均指第类内应力。残余应力的测量 X射线应力测定法：（物理方法）原理：利用X射线穿透金属晶格时发生衍射的原理，从而算出金属构件表面应力的一种实验方法。残余应力存在：对应材料中的弹性应变，必引起晶面间距的相对变化。布拉

9、格定律：2dsin=n，当应力引起晶格间距d发生变化时，随之发生变化。X射线仪即是通过测量衍射角的变化进而求出应力的大小。特点：无损、非破坏性的测量；测量的应变均为弹性应变；可测量构件中的工作应力或残余应力，但只代表表面应力；特别适于测量薄层和裂纹尖端的应力分布；分析微区：46mm，可剥层测量残余应力，分析应力沿深度方向的分布。原理、方法成熟，研究广泛，测试技术和设备已较完善；可实验室研究，也可对实际零件或大型工件的现场测量。邯郸斯特爱应力技术公司X射线应力测定仪产品 应力松弛法（应力释放法）原理：零件中残余应力处于平衡态，如遇到切割、剥层、钻孔等使其局部破坏，则残余应力将重新分布，建立新平衡

10、，零件产生变形，若测出相应点的应变（电阻应变仪），则由弹性理论就可算出零件残余应力的数值。方法：切割法、剥层法、钻孔法（盲孔法）等。应力松弛法：属于破坏或半破坏性的方法。盲孔法 原理：在工件上钻孔，使圆孔附近内应力松弛，破坏原应力平衡，应力重新分布并建立新平衡，则圆孔附近金属产生应变，通过高灵敏度应变仪，测量钻孔后应变量，就可计算原应力场的应力值。残余应力的分析 残余应力的分析包括两方面内容：残余应力产生原因的分析；残余应力的评价；1）残余应力产生原因的分析 根本原因：零件的不均匀塑性变形的结果，变形大的地方受压，变形小的地方收拉。a)机械应力：如零件拔丝时，表面存在摩擦阻力变形小产生残余拉应

11、力。心部变形大产生残余压应力。另外在校直、磨削、机械加工时，也会产生残余应力。b)热应力：零件加热与冷却时，因表层与心部极大的温度梯度而产生残余应力。铸件：薄厚不均，冷到常温，厚壁处受拉，薄壁处受压。焊接：焊后冷到室温，焊缝受拉应力，热影响区受压应力。c)组织应力：固态相变中，因各组织比容不同而引起。d)化学作用：如：表面渗碳，形成化合物层比容较大，引起残余压应力。如：电镀：因金属晶格吸氢而膨胀，H的扩散或氢化物分解又使晶格收缩，从而产生残余应力等。2）残余应力的评价 包括：分析残余应力性质、大小及分布规律，及与外加应力的叠加对零件应力状态的影响。残余应力与外加应力同向加速零件的破坏；残余应力

12、与外加应力异向延缓其破坏，提高寿命；因此，表面存在拉应力有害作用；表面存在压应力有益作用；如：承受往复载荷的曲轴等零件，若在轴颈处存在压应力时，会提高其疲劳寿命。4.7 无损检测技术、方法及应用 一、无损检测技术：Nondestructive Testing（缩写 NDT）在不损害或基本不损害构件前提下，采用物理、化学方法的手段，探测被检对象表面和内部各种宏观缺陷的各种技术方法的统称。二、无损检测方法：主要有 1.渗透检测法：Penetrant Testing（缩写 PT）；2.磁粉检测法：Magnetic particle Testing（缩写 MT）；3.涡流检测法：Eddy curren

13、t Testing（缩写 ET）；4.射线检测法：Radiographic Testing（缩写 RT）；5.超声检测法：Ultrasonic Testing（缩写 UT）；此外，还有声发射检测、激光全息摄影检测等。三、应用：主要用于查明各种缺陷，消除隐患和对零件进行安全可靠性及寿命评价。四、无损检测方法选择及特点 1.渗透检测法 渗透检测（PT）：检查表面开口型缺陷 清洗工件表面，涂上渗透剂，若有缺陷，渗透剂就会渗入缺陷中，清除多余渗透剂，再涂上显像剂，因毛细现象，缺陷里残存的渗透剂被吸出而显现。渗透剂中加入红色染料或荧光物质，可显示很细微缺陷的位置、形状和大小。渗透剂：荧光渗透剂和着色渗透

14、剂 两种。渗透检测法特点：能检测构件表面开口缺陷，对皮下或内部缺陷无能为力；对表面裂纹有很高的检测灵敏度；原理简单、操作容易、方法灵活、适应性强，适用各种材料，且不受工件几何形状、尺寸等影响。不适合于多孔材料。2.磁粉检测法 原理：导磁材料在磁场中被磁化，若表层存在缺陷，如裂缝、夹杂物等，磁力线只能绕过缺陷，形成局部磁极。若表面撒上导磁性磁粉，因受局部磁极的吸引而堆积，从而显现缺陷的位置和形状。分类：有恒磁法（永久磁铁）和电磁法（电流磁场）。显示介质：磁粉、磁悬浮液。适用范围：适用铁磁性材料，探测表面和近表面的缺陷 特点：原理简单，操作容易，观察缺陷直观快速；检测表面和近表面的缺陷；对表面裂纹

15、、发纹、折叠、未焊透等缺陷极为敏感。交流电磁化：表面下3mm以内；直流电磁化：表面下6mm以内。低成本。3.涡流检测法（ET）原理：由电磁感应原理，当线圈通入交流电，若把线圈靠近被试工件，工件内会感应出涡流，受其影响，线圈电流会发生变化。因涡流大小随工件内有无缺陷而不同，故线圈电流大小变化能反映有无缺陷。涡流检测线圈与工件的相对位置：涡流检验的工程应用：4.射线检测(探伤)法（RT）原理：利用X、射线穿过物体，因发生吸收、散射等作用，透射线强度衰减；正常时，底片均匀感光；当遇到裂纹、孔洞以及气泡和夹渣等缺陷时，射线衰减程度不同，在底片上显现暗影区，可检测物体内部缺陷的形状和大小。特点：可适用于

16、所有材料；可检测 0500mm 厚的钢材内缺陷；缺陷显示形象直观，缺陷尺寸、性质易于判断；但射线对人体有害，设备成本高。适用范围：材料或构件的内部缺陷检出。对体积型缺陷灵敏，如铸件、焊缝中气孔、夹渣、未焊透、未熔合等，以及铸造裂纹、焊接裂纹等。对平面状的二维缺陷不敏感，需改变入射方向使之与裂纹平面一致时，才可被检出。射线检测方法分类：根据显示方法不同可分为：射线照相法、荧光屏法（工业电视）、层析摄影（工业CT）技术等。5.超声波检测法（UT）超声波特性：介质中传播时遇到界面，一部分声波反射；指向性好；穿透能力强、传播能量大等；原理：测量声波往返于缺陷的渡越时间，确定缺陷与表面的距离；测量回波信

17、号幅度和发射换能器位置来确定缺陷大小和方位。适用范围：钢铁、有色金属、非金属等材料。如锻铸件、轧制件、焊缝等工件。即可检测表面缺陷，又可检测内部缺陷。特点：对平面状缺陷具有很强的检出能力，如裂纹、叠层、分层、折叠、未焊透等。A型法（扫描）：难以识别缺陷的种类；B、C型法：可显示缺陷的图形。对表面缺陷比磁粉法、渗透法灵敏度低；但可检测表面裂纹的深度。超声检测方法：有穿透法、脉冲反射法、串列法等。超声检测方法与超声检测仪 穿透法 反射法 串列法 4.8 腐蚀及环境分析方法及选择 一、腐蚀分析方法 对腐蚀失效分析、在役设备的腐蚀监测中，有许多分析技术和方法，各技术和方法有其所长和局限性。关键问题：如

18、何选择最合适的技术。用于腐蚀失效分析和腐蚀监测的技术方法有：线性极化（极化阻力）法 电阻法；重量法（腐蚀挂片试验法）；电化学腐蚀法；化学分析法；此外，还有警戒孔和监测孔法。1.线性极化（极化阻力）法 用两电极探头，由电化学极化阻力法测定腐蚀速度。对电解液中正在腐蚀的金属施加一个小的电压，会产生一定的电流，电压与电流的比值称为极化阻力。极化阻力与腐蚀速度成反比，通过极化阻力的测定可以确定腐蚀速度。特点：灵敏、快捷；用一个试样可进行连续测定；适用：现场的腐蚀检测与监控。不同材料具有不同的导电性（电阻）；同一材料因尺寸、组织结构等差异，也呈现不同电阻。材料遭到晶间腐蚀、点蚀等局部腐蚀：因内部组织结构

19、的破坏，电阻值增加；材料遭到均匀腐蚀：因尺寸变化，电阻值也增加。3.重量法（腐蚀挂片试验法）：试样在腐蚀环境中经过一定时间暴露期后，由其失重或增重，可测量某一时段的平均腐蚀速度。4.电位检测法（电化学腐蚀法）：测量被监测材料相对于参比电极的电位变化，说明材料的腐蚀状态（如活化态、钝化态、孔蚀、应力腐蚀等）可直接测定材料的腐蚀行为。5.化学分析法：通过测定腐蚀介质成分、浓度、缓蚀剂含量和金属离子浓度来测定金属的腐蚀量。测定参量有如：pH值、O浓度、Me+浓度等。如：炼油厂冷凝水分析：因冷凝水中含有某些腐蚀性成分和腐蚀产物，通过测定其中成分（pH值、Fe+、Cl）和含量，为分析腐蚀原因和判断腐蚀程

20、度提供依据。各种电化学探头和电阻探针 腐蚀分析方法的工程应用 二、环境分析 环境分析（污染分析）：内容很多、范围很广，主要有 气氛分析、油质分析、腐蚀产物分析和摩擦碎屑分析。1.气氛分析：如：分析发动机中的废气对气缸、气门零件的腐蚀作用。2.油质分析：承载液体（润滑油）本身因设备和系统的损坏也会变质。监测此变质情况，可提供失效的信息，有助于失效原因诊断。可采用光谱分析法等测定油质。3.腐蚀产物的分析：用X射线衍射法、穆斯堡尔谱仪法、原子吸收或发射光谱仪、扫描电镜及电子探针等仪器对腐蚀产物结构、形貌、成分、化学价态等定性或定量的分析，探讨其腐蚀的机理等。4.摩擦碎屑分析：残留在润滑油中的磨屑，可

21、通过铁谱仪或磁性柱塞回收，再分析碎屑数量、形状和颜色等，可判断其磨损类型及磨损程度。案例：液化气管线焊缝区开裂泄漏原因分析 中国石油大连石化公司炼油厂气分车间液化气管线广泛选用20#钢卷板组合焊接而成。管线的管内介质为液化气w(H2S)2.0X10-5，w(H2O)约为3%，介质压力一般为1.61.8MPa，工作温度为50100。20钢在电力、石油化工管线很少出现开裂泄漏故障。该公司1988年投产的液化气管线于2002年初连续发生多处泄漏故障。现场分析发现泄漏裂纹均发生在管线的焊缝附近。实验检测及讨论 2.2.2 裂纹的形态、特征 经检验管线的泄漏裂纹均起源于管线的内表面热影响区和临近热影响区

22、的母材部位；发生泄漏的管线工作温度100 左右，而在50 左右工作的管线在同样条件下其焊接区并未产生裂纹。图24为裂纹形貌特点，主裂纹由内壁向外壁扩展，有的已形成穿透裂纹；主裂纹附近有大量的微裂纹，微裂纹总体取向与主裂纹相同。由图 3、4 可见，焊缝附近存在大量微裂纹，裂纹多以沿晶或穿晶方法扩展，裂纹中均充满腐蚀产物。根据裂纹检测和分析结果，管线裂纹具有明显的应力腐蚀特征。2.2.3 腐蚀产物的能谱分析 2.2.3 腐蚀产物的电子探针分析 图6为管线裂纹内腐蚀产物的电子探针的元素强度的面分布结果。可以看出腐蚀产物主要是铁的氧化物以及钠的氧化物。分析结果表明Si与S的含量较少。2.2.4 液化气

23、管线失效原因分析 由实验结果，可以推断发生在管线焊缝附近的裂纹是应力腐蚀裂纹。2.2.4 液化气管线失效原因分析 腐蚀产物主要由Fe、O、Na成分组成，由于液化气介质中含有H2O,因此腐蚀产物中含有O是肯定的，但腐蚀产物中含有如此多的Na却是很少见到的，而这是该管线泄漏失效的关键。根据现场调查，发生裂纹的管线正好工作在100左右，而在50工作的管线在同样条件下其焊接区并未发生裂纹（验证了以上论点）。2.2.5 结果及建议 综合实验分析结果和现场调研，可以确定造成液化气管线泄漏的原因是所分析管线在焊接残余应力作用下产生了碱脆破裂。建议：1、对液化气管线焊缝区进行消除应力处理；2、尽可能减少介质中NaOH残存；3、加强对管线碱脆倾向监测等。