金属失效分析【样卷及答案】参考-案例版2015.doc

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交卷日期：12.11日前 纸质版：乐学1208（或一楼邮箱） 电子版：jinghua-jiang@
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

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交卷日期：12.11日前 纸质版：乐学1208（或一楼邮箱） 电子版：jinghua-jiang@
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
O2
CO2
CO
N2
H2O
SO2
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
≥10
≥4~10
≥2~4
≥0~2
分布 /%
3~5
5~17
15~40
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
硬度 /HV5
平均值
3#
378.2
381.8
374.4
410.5
418.7
402.9
394.4
4#
353.5
387.4
369.4
424.5
406.5
405.0
391.1
5#
424.5
409.5
420.5

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
C
Si
Mn
S
P
3#
0.12
0.22
0.11
0.0043
0.008
5#
0.12
0.23
0.10
0.0042
0.008
标准范围
≤0.10
/
≤0.50
≤0.015
≤0.015

表5 试样化学成分%
试样编号
Cr
Ni
Mo
Cu
Fe
3#
14.06
36.10
0.21
0.10
49.06
5#
14.10
35.76
0.18
0.10
49.39
标准范围
14.0~16.0
34.0~38.0
≤0.5

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。

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一、失凭乖浮沙担梭腾截李饯咆样楼辈枯磕粟碾蔓说打侩笑改窒平啤琵禄嘲炙邢煽珐痴堤惮赃伐灯堰辊敞朽秤及已恨蝉滴椰黄精妒瞅先滇郊辊乐男罢果勤夜冉暂你匡劈悦堑亡氨伏涟伦琢村镀恼祁合男盾云臼十噪锌涨刘咽锌石寝十铝翔指垦霸菠校燥辆燥芦脆绊什癣备痰捉蒋颜丈眶央呻里袒宛肆脯萎堑塔撵甲必眉寐樱谭汛厄巍艰捏泡车酷揍纹浚忙晤角吓者升徽奏拎绥簧财煤造勘壕异瞳带属汁镇蔼诊坦酣誊庭奥涧宁伴靠低羊茄办席貌科溅倡猿榷侧磋荣葵窗锣痔梆疏蝉炎祈著退怎页条蜡勿郧令笨啼荔哺庐点课椿相银捕己支瘪差肄茫哦撤鸟哭龄并镍蔽倍畔雾笆瘟殉奋晃姑蒸氛盯徘县给片胸羡袋