(2.104)--材料失效分析金属构件失效分析.ppt

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1、过热管道的失效分析过热管道的失效分析ContentsContents目目 录录1.1.管道失效的背景管道失效的背景2.2.实验材料及方法实验材料及方法3.3.失效分析与结果失效分析与结果4.4.实验结论及改进实验结论及改进管道失效的背景管道失效的背景1 1过热管道失效之背景过热管道失效之背景1.服役环境服役环境：蒸汽管道是发电厂的关键部件，长期在高温、高压的恶劣工况下运行。2.易发问题易发问题：容易发生材质老化和损伤积累，突发性事故也会频频发生，给企业员工的生命安全和国家财产带来严重威胁。3.影响因素影响因素：在我国现存的电厂中，有亚临界、超临界等多种形式的机组，压力、温度、支吊方式运行时间等

2、均有所不同。3.研究对象研究对象：本试验选用某电厂开裂蒸汽管道切割样，通过微观组织分析、力学性能测试及微区成分能谱分析等方法，研究过热蒸汽管道裂纹产生的原因。实验材料及方法实验材料及方法2 2实验材料及方法实验材料及方法 实验材料 为了对管道开裂部位管道开裂部位进行系统分析，微观组织分析样品选取了管体上出现开裂的区域出现开裂的区域(标记为1-1 区)和同管道上远离开裂区域远离开裂区域的材料(标记为1-2 区)。为了探索管道焊接管道焊接是否对微观组织微观组织造成直接影响，从而导致使用过程中开裂，切取了管道上靠靠近焊缝近焊缝的试样，标记为2-1 区，同时切取离焊缝一离焊缝一定距离的热影响区定距离的

3、热影响区的材料，标记为2-2 区。为了研究管道的力学性能力学性能，采用线切割切取了管体上远离裂纹的区域远离裂纹的区域，加工成标准拉伸试样和冲击试样(开U 型缺口)。实验材料及方法实验材料及方法 实验方法 1、采用Q4 TASMAN 直读光谱仪对试样元元素含量素含量进行精确定量分析;2、利用ZEISS SUPA40 型场发射扫描电子显微镜观察裂纹处的微观形貌微观形貌，并用附带的能谱仪进行点扫描;3、采用LeicaDMI5000M 智能数显式金相显微镜观察失效管道的显微组织显微组织，4、用INSTON 万能试验机进行抗拉强度抗拉强度及断裂韧性及断裂韧性分析。失效分析与结果失效分析与结果3 3失效分

4、析步骤失效分析步骤1 1成成分分分分析析4 45 5注意注意C、Mn、Si、S、P等元素含量等元素含量注意裂纹的萌生扩展注意裂纹的萌生扩展位置和方向及晶粒度位置和方向及晶粒度注意晶界附近的注意晶界附近的组织及微区成分组织及微区成分屈服强度、屈服强度、断裂韧性断裂韧性3 32 2分析热处理对其组分析热处理对其组织及性能的影响织及性能的影响组组织织分分析析微微区区形形貌貌力力学学性性能能措措施施分分析析微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析开裂蒸汽管道切割样光谱分析化学成分表化学化学元素元素C CMnMnSi SiS SP PCr CrMoMo

5、Fe Fe质量分数（%）0.0940.4530.1440.0190.00812.1780.94595.77由上表可知，各化学元素含量符合GB。微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析 管道1-1 区的裂纹及微观组织如图1 所示。由宏观裂纹形貌(图1(a)以及微观裂纹(图1(b)可见，管道内壁裂纹形貌具有随机性且粗细不均随机性且粗细不均匀匀，裂纹有多条分枝，无特殊扩展方向。进一步观察裂纹可以发现，多数裂纹都是从一条主裂纹主裂纹发散出来的，如图1(b)、(c)所示。对主裂纹的放大图(图1(d)观察可见，裂纹内部有明显氧化物填充明显氧化物填充，而主

6、裂纹附近有明显的沿晶界扩展的小裂纹萌生小裂纹萌生，如图1(d)中圈内所示。微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析 因此裂纹首先在晶界晶界形成，使得管道高温服役过程中在微区出现缺陷。由于服役条件温度高，压力大，初期的裂纹不断被氧化腐蚀氧化腐蚀，并被腐蚀产物填充，同时在腐蚀介质作用下腐蚀介质作用下，主裂纹沿晶界形成了二次裂纹二次裂纹，并在应力的作用应力的作用下下，加速了这种主裂纹附近晶界的腐蚀，并逐渐加宽形成分枝。微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析 管道在不同位置的显微组织显微组织如图2

7、 所示。其晶粒尺寸晶粒尺寸统计如表1 所示，从图2 中可观察到管道不同部位组织均为等轴晶粒等轴晶粒，但晶界上有明显的析出物出现，局部区域有沿晶界连续析出的特征。微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析 为确定试样的微区元素分布情况，使用EDS 对晶界及晶内位置元素成分进行了检测，图3 为试样的微区形貌图3(a)中谱图40、41 和43 所示为晶界附近，具有明显析出相的位置元素成分检测明显析出相的位置元素成分检测情况情况，谱图45 为晶内元素成分情况，结果见表2。从能谱分析可以得到，晶内的微量元素晶内的微量元素Cr、Mo 元素含量较少元素含量较

8、少，而晶界上的析晶界上的析出物中出物中Cr、Mo、C 元素的含量明显高于材料的平均成分水平元素的含量明显高于材料的平均成分水平。Cr 能有效提高材料的抗氧化性和耐腐蚀性，Mo 是一种强碳化物形成元素。材料含Cr 当量和C 当量之比大于13，材料有好的耐蚀性能。对于耐热钢，要求有低含C 量，防止在高温使用过程中沿晶界析出Cr 的碳化物，使晶界电位与晶内电位差过大导致沿晶腐蚀。而Mo 与C 结合能力大于Cr，因此试验材料中试验材料中Mo 元素的加入元素的加入使得使得C 先与先与Mo 形成碳化物，减少的形成碳化物，减少的Cr 与与C 元素形成碳化物，从元素形成碳化物，从而降低基体中的而降低基体中的

9、Cr 当量当量。微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析 在服役条件下，由于温度的作用，使合金元素原子获得能量从固溶体中转移到结构较为稳定的碳化物中去，对比元素成分可以发现，晶界上的晶界上的C、Cr、Mo含量高于基体含量高于基体，晶界上连续分晶界上连续分布的析出物均为含布的析出物均为含Cr、Mo的碳化物，的碳化物，Cr、Mo 与与C 形成碳化物形成碳化物并沿晶界析出并沿晶界析出。从送检样的微区成分与形貌来看，失效试样原原奥氏体晶粒粗大，单位体积晶界面小，则奥氏体晶粒粗大，单位体积晶界面小，则Cr、Mo 碳化物沿晶碳化物沿晶界析出的密度大，容易

10、形成碳化物在晶界的连续分布界析出的密度大，容易形成碳化物在晶界的连续分布。同时碳化物的析出使得基体内Cr 元素贫化元素贫化，晶界与基体腐蚀电位发生变化，加速应力腐蚀加速应力腐蚀的发生。图3(b)为裂纹的微区形貌，对裂纹中填充物成分的EDS 检测结果见表2，图中谱图33 和36 所示为裂纹中进行检测的位置。结果显示，裂纹中的填充物均为铁的氧化物，因此有氧腐蚀氧腐蚀的可能。微区形貌微区形貌组织分析组织分析力学性能力学性能失效分析与结果失效分析与结果成分分析成分分析抗拉强度抗拉强度/MPaMPa屈服强度屈服强度/MPaMPa伸长率伸长率/%/%断面收缩率断面收缩率/%/%冲击功冲击功/J/J527.

11、69317.1430.0063.13198开裂蒸汽管道切割样力学性能指标实验结论及改进实验结论及改进4 4结论结论实验结论及改进实验结论及改进正火回火后的组织正火回火后的组织 根据以上分析，该管道正常服役组织正常服役组织应该为细小的晶细小的晶粒粒，并且由于晶粒细小，晶界密度大，碳化物析出位置多，可以避免碳化物析出相在晶界上的连续富集。同时，该管道应该进行碳化物稳定化处理碳化物稳定化处理，在服役之前就应该经过充分的回火，促进C 与Mo 元素，而不是和Cr 元素，以碳化物的形式析出，从而提高基体中Cr 当量和C 当量之比。为此从送检的失效管道上取样进行重新热处理重新热处理，热处理工艺为890 保温

12、1 h 正火，然后进行720 2 h 回火，以保证C 与Mo 的充分析出，实现元素的稳定化。结论结论实验结论及改进实验结论及改进正火回火后的组织正火回火后的组织 热处理后显微组织如图4 所示，对比失效管道的显微组织(图2)可以看出，晶粒尺寸得到显著细化，统晶粒尺寸得到显著细化，统计所得晶粒尺寸为计所得晶粒尺寸为13 22 m，达到，达到9 级以上晶粒度级以上晶粒度(见表1);在720 长时间回火过程晶界的析出相为细小颗粒细小颗粒状状，未形成连续分布的碳化物析出物。防止了连续分防止了连续分布的合金碳化物破环晶界的结合，使晶界电位与晶内布的合金碳化物破环晶界的结合，使晶界电位与晶内电位差过大导致沿

13、晶腐蚀电位差过大导致沿晶腐蚀。结论结论实验结论及改进实验结论及改进正火回火后的组织正火回火后的组织 从力学性能结果中(表3)看出，由于 试样的晶粒尺寸得到显著细化，并且析出的碳化物起到了一定的弥散强化效果，因此其抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率及冲击吸收能量均高于原送检试样，其综合性能性能优于原送检样。结论结论实验结论及改进实验结论及改进正火回火后的组织正火回火后的组织 1)管道内壁裂纹形貌具有管道内壁裂纹形貌具有随机性且粗细不均匀随机性且粗细不均匀，裂纹有多条分枝，裂纹内部有填，裂纹有多条分枝，裂纹内部有填充物为充物为铁的氧化物铁的氧化物，初期裂纹不断被氧化腐蚀并逐渐加宽形成分枝，且，

14、初期裂纹不断被氧化腐蚀并逐渐加宽形成分枝，且主裂纹主裂纹旁边次旁边次生的小裂纹尖端有明显沿晶界分布特征。生的小裂纹尖端有明显沿晶界分布特征。2)管道样品管道样品晶粒粗大，晶粒粗大，晶界密度低，晶界上有明显的晶界密度低，晶界上有明显的Cr、Mo 与与C 形成碳化物并沿形成碳化物并沿晶界晶界连续连续分布。分布。碳化物的析出碳化物的析出使得基体内使得基体内Cr 元素贫化，晶界与基体元素贫化，晶界与基体腐蚀电位腐蚀电位发生变发生变化，加速应力腐蚀的发生。化，加速应力腐蚀的发生。3)重新重新正火正火+回火回火试样的晶粒得到显著细化，试样的晶粒得到显著细化，Cr、Mo 碳化物沿弥散分布碳化物沿弥散分布，综合性，综合性能性能能性能优于优于原送检样。原送检样。结论结论谢谢观看谢谢观看请各位老师批评指正！