(2.28)--金属构件失效分析.ppt

《(2.28)--金属构件失效分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(2.28)--金属构件失效分析.ppt（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Q235板材板材焊焊接接结结构失效分析构失效分析材料失效分析案例简述案例简述在焊制1Cr18Ni9Ti-Q235，直径3500mm*2500mm啤酒发酵罐过程中，连续三台皆发生了裂纹事故。裂缝发生在罐体外围高压水蒸气加热夹套焊缝及热影响区上，将裂缝铲修补焊过程中仍然不断出现裂缝，造成几十万元的重大损失，影响到罐体运行的可靠性和销售。目录目录1Cr18Ni9Ti-Q235啤酒发酵罐焊接结构失效分析01失效的综合分析讨论02结论及对策03011Cr18Ni9Ti-Q235啤酒啤酒发发酵酵罐焊接结构失效分析罐焊接结构失效分析失效罐体概况1.1Q235板材的化学成分分析1.2Q235板材力学性能测试1

2、.3Q235金相组织检验1.4Q235板材冶金质量分析裂缝的宏观分析焊缝及热影响区的金相组织分析断口分析1.51.61.71.81.1 失效罐体概况失效罐体概况失效罐体全貌见图1所示，外形尺寸为直径3500mm、高2500mm。罐的全体采用1Cr18Ni9Ti不锈钢焊制，在罐体上部外围焊有高压蒸汽夹套，采用5mm厚的Q235钢板焊制，施焊系采用直径3.2mm的J422焊条手工电弧焊。焊接规范：焊接电流120A、焊接电压1820V、焊速为50mm/min，焊前不开坡口裂缝出现在Q235钢板拼接焊缝处以及焊缝热影响区和弯曲成型处。1.2 Q235板材的化学成分分析板材的化学成分分析对所提供的Q23

3、5板材样品前后两次取样，进行化学成分分析，取样是在Q235母材上靠近开裂处钻取的碎屑，取样是取材料平均含量，且取屑深度不同，保证了平均性，实验结果见表1所示。其含碳、锰、硫、磷、铜、铬和硅的含量均符合GB-700-88标准。从宏观上看，母材化学成分是符合标准的，尤其是碳、硫、磷三项没有超标。按常规不应该产生裂缝。1.3 Q235板材力学性能板材力学性能测试测试试样制备：选用5倍试样，即l0=5.65F（1/2），F=b*h，h为试样厚度，本试样h为5.7mm，b为20mm，如图3所示。其中试样13为垂直于轧制方向取样，试样56为平行轧制方向取样，把试样装在液压万能试验机（型号为WE-10A，最

4、大载荷10t）进行拉伸试验，实验结果见表2所示。拉伸试验1.3.1通过与金属手册比较可见，试样13的屈服强度抗拉强度均符合标准要求（为下限值），而延伸率则明显低于标准（26%）的要求；试样46则完全符合标准。试样制备：利用Q235板材加工成55mm*10mm*5mm试样3组，每组3根，利用MK30冲击试验机来测定其冲击韧性，实验结果见表3。1.3 Q235板材力学性能板材力学性能测试测试V型冲击试验1.3.2冲击值低于GB229-84所规定的27J。弯曲试验加载的应力状态从受拉一侧看，基本上和静拉伸时的相同，但弯曲试验时不存在如拉伸时所谓试样偏斜对试验结果的影响问题，并且在弯曲时，试样截面上的

5、应力分布也是不均匀的，表面应力最大，故可较灵敏地反应材料表面缺陷。试验按GB232-82执行，试样制成宽10mm，长125mm，厚为5.7mm，共3件，在120kN万能试验机上进行，把试样弯曲成180成两边平行。试验结果如表4所示。1.3 Q235板材力学性能板材力学性能测试测试冷弯试验1.3.3 以上进行的金属力学性能试验都是在常温下进行的，从结果中可以看出，该钢板的屈服强度及抗拉强度符合标准要求，但延伸率低于标准要求。1.3 Q235板材力学性能板材力学性能测试测试1.4 Q235金相金相组织检验组织检验试验直接取于Q235金属（在焊缝的热影响区外），组织为带状分布的铁素体+珠光体。从两种

6、照片中可以看出，Q235沿轧制方向呈带状组织，其中黑色为珠光体组织，白色为铁素体组织。1.5 Q235板材冶金板材冶金质质量分析量分析在对钢的影响因素中，硫是最主要的，硫主要是以硫化物的形态存在于钢中，钢中有大量锰存在时（如前面表所提供的数据），将形成MnS和FeS，很少形成其他的硫化物，通常硫化物的含量及其分布对钢的焊接性影响较大，一般用硫印法来检测硫化物在钢中的分布。硫印试样制备及试验方法：在Q235中截取5.5mm*6.0mm的一块试样，经砂纸打磨和抛光后即可。在试样表面滴5%10%硫酸，再将一块相纸（稍大于试样）覆在其表面510min，定影、漂洗后，即得出硫化物的分布，如图6所示，图中

7、硫化物即为硫化物存在的地方。一般认为，硫是钢中的有害元素之一，它在钢中易于偏析，恶化钢的质量，并且能使钢的机械性能降低，对钢的可焊性也有不利影响。它是焊接过程中产生融合区热裂纹的重要原因之一。1.6 裂裂缝缝的宏的宏观观分析分析通过宏观检验发现裂缝的分布位置有两类：一是产生在焊缝中心线上，长度为3050mm不等；另一类裂缝较纤细，分布在Q235弯曲变形处，此区距焊缝约为20mm左右，裂缝的走向垂直于Q235的轧制方向，沿带状组织扩展。据初步分析是热裂纹，在焊缝中或热影响区附近较易产生，主要是由于含有硫化物，它在结晶时易发生偏析，以低熔点共晶Fe+FeS（熔点为940摄氏度）或FeS+FeO（熔

8、点为940摄氏度）的形式呈片状分布于晶界，在焊接后冷却时，拘束度较大，产生较大的应力，在晶界部分呈液态时产生裂缝。1.7 焊缝焊缝及热影响区的金相组织分析及热影响区的金相组织分析在焊接过程中，Q235热影响区上各点距焊缝远近不同，各点所经历的焊接热循环也不同，这就回出现不同的组织，因此具有不同的性能，由此可见，整个焊接热影响区的组织和性能是不均匀的。所用的Q235钢在焊接焊缝的热影响区根据组织上的特征可分为以下几个区，如图7所示。下面就对这些区进行组织分析：如图8所示焊缝组织，大体上呈胞状或树枝状，其组织是铁素体+珠光体，晶体比较粗大，粗大的柱状晶不但降低焊缝的强度，而且更重要的是降低焊缝的韧

9、性。图9是过热区组织，与焊缝相连，此区温度范围是在固相线以下到1100摄氏度左右，金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重长大现象，冷却之后得到粗大组织魏氏体，如图10所示。由于魏氏体组织的存在，引起此区韧性下降，在焊接过程中，常在粗晶区产生脆化和裂纹，是焊接接头的薄弱地带。1.7 焊缝焊缝及热影响区的金相组织分析及热影响区的金相组织分析图11是紧挨着过热区的相变重结晶区，是焊接时Q235被加热到Ac3以上的部位，发生重结晶，冷却后得到均匀而细小的珠光体+铁素体，相当于热处理时的正火组织，由于此区晶粒细小而均匀，此区的塑形和韧性都比较好，不易产生裂纹。图12是不完全重结晶区，是焊接时温度处于Ac

10、1Ac3的热影响区，只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体+珠光体，而另一部分始终未能熔入奥氏体，组织比较粗大，所以此区的特点是晶粒大小不一，组织不均匀。1.7 焊缝焊缝及热影响区的金相组织分析及热影响区的金相组织分析1.8 断口分析断口分析将焊缝中心线裂缝开启后，用日立S-550扫描电镜对断口进行观察，可见典型的热裂纹断口形貌，断口表面呈现结晶时的树枝晶形态，枝晶间存在低熔点共晶液态薄膜，如图13所示。对断口进行电子探针能谱分析，证实断口上分布的夹杂物种类为复杂的铝硅酸盐及硫化物。02失效的综合分析讨论失效的综合分析讨论上述结果表明，Q235板材的强度指标是符合标准的，但处

11、于标准的下限，表5是Q235钢力学性能的国家标准。而且延伸率及冲击韧性皆低于标准要求，其原因是钢中垂直轧制方向存在带状组织及带状分布的夹杂物。焊缝所以产生裂缝原因有二，其一是因为硫化物集中分布处于熔合区域时，使焊缝局部含硫量过高，结果在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点硫共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成液态薄膜，在拉伸应力作用下，在此薄弱地带开裂形成热裂纹；其二是所用焊条J422为酸性焊条，脱硫效果不好，厂方焊条选用有误。焊接热影响区之所以产生裂纹原因有三：其一是本钢种为半沸腾钢，含有较多的氮元素，在焊接热循环的作用下，易发生淬火时效；其二是板材弯曲成型时存在较大应力应变，在焊接热循环的作

12、用下，发生了应变时效脆化；其三是罐体加热夹套焊接时（如图一所示），存在较大的拘束应力，在Q235弯曲成型部位存在条带状夹杂处，在拘束应力作用下该处便产生了裂缝。由此可见，工厂在金属市场购进材料时，不能只靠轧制方向的力学性能和平均化学成分来验收，在制造压力容器时，还应该对材料进行冶金质量分析、冲击韧性及横向延伸率的检测，特殊情况下还应进行电子显微分析，这样才能确保所制压力容器的质量及可靠运行。03结论及对策结论及对策3.1 结论结论1.工厂在金属市场购进的Q235板材存在较集中的硫化物夹杂及带状分布的铝硅酸盐夹杂。2.焊接失效是由于所购Q235板材冶金质量差造成的。3.焊缝中心线裂缝是硫化物造成的典型的热裂缝。4.焊接热影响区裂缝是带状分布的铝硅酸盐时效脆化及焊接拘束应力综合作用形成的。3.2 对对策策1.将冶金质量差的Q235板材更换2.利用碱性焊条（如J507）施焊3.建议在加工压力容器前应对材料进行机械性能（纵向、横向）、冶金质量和金相进行检测4.改进后，焊接产品未发现裂缝产生。谢谢谢谢观观看看