金属失效分析[样卷及答案]参考-案例版2015

河 海 大 学

2015—2016学年第二学期 金属失效分析 期末试卷

（材料类 2015级硕士）

学号 姓名 成绩

一、失效案例分析：请同学们各自收集一个金属构件失效案例素材，分析该案例失效原

因及预防改进措施（50分）。 二、结合课程学习内容及该案例分析，简要回答以下问题：

1. 失效分析的意义；失效分析的程序；失效分析时需遵循的原则。（15分）

2. 试分析常见的金属失效类型及其典型特征。此案例中涉及了哪几种失效类型？（10分） 3. 金属失效构件常见的理化检验方法有哪些？此案例中采用了哪些理化检验方法？（10分） 4. 本案例分析中可能存在哪些不足？浅谈你对失效分析的认识。（5分）

【参考答卷】

一、失效案例分析

案例名称：高温烟机转子叶片断裂失效原因分析

（一）案例描述

某炼油厂催化装置烟气轮机在运行中转子叶片发生断裂，致使整套装置停车，使生产蒙受巨大的损失。为避免同类事故再次发生，从根源上消除安全隐患，对该烟机转子叶片的断裂原因进行了检验分析，以确定该转子叶片断裂的影响因素，从而采取相应的防护措施，确保设备安全稳定、长周期运行。

烟气轮机是催化装置能量回收的关键设备。它利用装置中产生的高温烟气带动转子，将装置中多余的压力能和热能转化为电能或机械能。由于催化装置高温烟气中含有催化剂固体颗粒，工作中以高速度冲蚀磨损叶片，极易导致叶片失效，严重影响到叶片的使用寿命。

烟气轮机转子叶片材料为K213 铸件，叶片表面喷涂耐磨涂层。转子运行速度：5530~5599r/min，入口压力：0.15~0.185Mpa，入口温度：630~670℃，出口压力：0.007~0.009 Mpa ，出口温度：480~520℃。烟气的介质成分见表 1；烟气内催化剂固体含量≤200 mg/m3 ，催化剂粒度分布%见表2。

表1 烟气介质成分分布

烟气介质

O 2 CO 2 CO N 2 H 2O SO 2

比例 /%

0.17 10.0 7.0 68.44 14.34 0.05

表2 催化剂粒度分布

催化剂粒度 /μ 分布 /%

≥10 3~5

≥4~10 5~17

≥2~4 15~40

≥0~2 40~80

（二）失效分析过程

1、取样

从失效叶片中割取样本，分别编号。失效叶片外观如图1所示，从中割取检验的6件样本编号如图2所示。

从图2可以看出，编号3#、4#两片从根部断裂，裂纹源在叶片表面，断口表面起伏较大。其余编号1#、2#、5#、6#叶片有不同程度的表面断裂，表面有油污，未见局部腐蚀和减薄。

图1 失效叶片外观 图2 样本编号 2、硬度测试

采用TH320全洛氏硬度计对叶片根部取样进行硬度测试，将测得维氏硬度试验值与标准值进行对比，维氏硬度试验值如表3所示。

标准 Q/GYB 502—1999《K213合金锭》中规定的硬度为342HV5， 从表3可以看出，样本的硬度值均高于规定标准值。

表3 试样硬度测试

试样编号

3# 4# 5#

378.2 353.5 424.5

381.8 387.4 409.5

硬度 /HV5 374.4 369.4 420.5

410.5 424.5

418.7 406.5

402.9 405.0

平均值 394.4 391.1 418.2

3、化学成分分析

采用EDX （X 光能量衍射仪）对叶片断裂处取样进行化学成分测定，将测得的化学成分含量与标准范围进行对比，化学成分含量如表4、表5所示。

Q/GYB502—1999《K213合金锭》化学成分含量的标准范围如表4、表5所示，可知大部分元素都在标准范围内，碳含量略微偏高。

表4 试样化学成分%

试样编号

3# 5# 标准范围

C 0.12 0.12 ≤0.10

Si 0.22 0.23 /

Mn 0.11 0.10 ≤0.50

S 0.0043 0.0042 ≤0.015

P 0.008 0.008 ≤0.015

表5 试样化学成分%

试样编号

3# 5# 标准范围

Cr 14.06 14.10 14.0~16.0

Ni 36.10 35.76 34.0~38.0

Mo 0.21 0.18 ≤0.5

Cu 0.10 0.10

Fe 49.06 49.39

4、金相分析

采用UD-200M 金相显微镜对叶片断口剖面进行观察，3#显微组织如图3、图4所示；4#显微组织如图5、图6所示。

叶片显微组织为奥氏体+γ＇+碳化物并沿晶界分布，组织形貌不均匀。叶片内部存在铸造缺陷孔洞和氧化裂纹。

图3 3显微组织1 图4 3显微组织2

#

#

图5 4显微组织1 图6 4显微组织2

#

#

5、断口分析

5．1 断口宏观分析

采用放大镜分别对根部及表面断裂的叶片断口进行观察，3# 、4#样本的宏观形貌如图7所示，其它样本断口宏观形貌如图8所示。

图7 3#、4#样本断口宏观形貌 图8 其他样本断口宏观形貌

3# 、4#样本的宏观形貌：断口几乎与连接部位根部平行；裂纹源起源于样本表面，由表面扩展至内部；断面粗糙，起伏较大，无宏观塑性变形、未见壁厚减薄，断口呈黑色无金属光泽。

其它样本断口宏观形貌：断面粗糙，无宏观塑性变形、未见壁厚减薄，断口无金属光泽，呈黑色。

5．2、断口微观分析

采用扫描电镜对根部及表面断裂的叶片断口进行观察，3# 样本断口裂纹源区特征如图9所示，3# 样本断口扩展区特征如图10所示，3# 样本断口扩展区尖端特征如图11所示。2#样本碎片断口特征如图14所示。

通过观察图9~图11可见，3# 样本断口在裂纹源区及扩展区，断口表面覆盖有较为致密的氧化产物，并且表面有原始孔洞缺陷，呈树枝晶状断裂开裂。

通过观察图12~图13可见，3# 样本断口在裂纹瞬断区，断口表面也是以树枝晶状断裂开裂为主，伴随大面积韧窝､解理和二次裂纹。

通过观察图14可见，2#样本断口表面无氧化物，晶界间存在铸造缺陷，见韧窝､伴随解理开裂。

图9 3#样本断口裂纹源区特征 图10 3#样本断口扩展区特征

图11 3样本断口扩展区特征 图 12 3样本扩展区尖端特征

#

#

图13 3#样本瞬断区特征 图14 2#样本碎片断口特征

通过电镜下对断口分析发现，3#叶片断口表面覆盖致密氧化物，为陈旧断口；在裂纹尖端和瞬断区，表面覆盖氧化产物较少，断口表面无疲劳迹象，以树枝晶状断裂开裂为主，伴随大面积韧窝、解理开裂和二次裂纹。此乃高温下材料脆性断裂之典型特征。而其它叶片为瞬时断裂，断口表面氧化产物较少，以树枝晶状断裂为主，伴随韧窝、解理断裂，存在二次裂纹。应该是后于3#、4#叶片断裂。

（三） 结论与建议

1、结论

鉴于以上的检验分析，可见叶片存在原始缺陷，同时组织中存在沿晶界分布的脆性相；加之叶片长时间在高温下运行，承受热交变载荷及粉尘冲刷，导致微观裂纹扩展、串接形成晶间宏观裂纹，最后发生脆性断裂。而其它叶片表面断裂，为先行断裂碎片冲击造成的结果。

原因一： 叶片材料碳元素含量偏高，导致材料脆性上升，力学性能降低，缺口敏感性增加；

原因二： 叶片金相显微组织为奥氏体+γ＇+碳化物，碳化物沿晶界分布，由此造成组织内部分布不均匀，沿晶界形成分布的脆性相；

原因三： 叶片内部存在原始铸造缺陷，如孔洞、裂纹等；在运行过程中成为断裂源。

2. 建议

（1）应控制叶片材料及制造的质量，从源头上减少材料的影响。K213 铸件是铁基铸造高温合金，成本比较低，我们可以采用镍基合金或者加Ni 来提高材料的韧性。在铸造时严格遵守工艺流程，减少气孔等缺陷产生。

（2）控制生产过程介质中腐蚀产物含量，减少操作因素的影响。

二、简答与心得

1. 失效分析的意义；失效分析的程序；失效分析时需遵循的原则。

答：（略，详见讲义）。

2. 此案例中涉及了哪几种失效类型？常见的金属失效类型及其典型特征。

答：（略，详见讲义）。

3. 本案例采用了哪些理化检验方法？金属失效构件常见的理化检验方法还有哪些。

答：（略，详见讲义）。

4. 本案例分析中可能存在哪些不足？浅谈你对失效分析的认识。

答：本案例中可能存在的不足：

本案例中在分析其失效原因主要是材料本身的缺陷，也就材料本身进行了详细的研究，虽然对烟机转子叶片的工作环境参数也做了一定的测定，但是这样的工作环境对叶片的影响程度尚未说明，论文中所说的裂纹源由表面向内部扩展，是不是有可能是叶片受到高温固体粒子不断冲刷，造成裂纹源的扩展，还是其他原因，论文并未详细说明。

本人对失效分析的认识：

我觉得失效分析是一门很有趣的学科，同时也是一门综合性的学科，其对我们的专业知识要求也比较宽广。在整个分析的过程中，我们要结合周围的环境因素、材料本身、断口形貌、微观组织等等因素，来还原材料的整个失效过程。在分析过程中，我们还要使用一些辅助仪器去测定参数和观察形貌，然后才能分析原因，得出结果。尽管失效分析的程序比较复杂，但是失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生，对于企业降低成本、提高质量具有重大意义。