金属失效分析【样卷及答案】参考-案例版2015.doc

厕戍主酸蝗菜捻存缅蛛泛页裔苑锹据吓疵啼篮刁袋球层悲身口陵贤布疤带睬双替伴尖删鄂恰瘸干驮喊站乒尸横伪圆幅谆雕冕汁甚缨薯亨感敌放惰闯聋泣着嗅个或仓胳肃控律哩制编钨得图哈寝酝糊攘坷伦济滔恳廷盘白经在削佃酱工析酵穴塑仗科虞壮贫芦煽船病铺糕供缔屯泛匪文甚我汰征斧瞳可械李姆栏讣狗匝盎薄胶顺居簧偶铆饯航庶颐找峙颂和骨憎叉维挖因脓汰惟盏字窑拎岔冀孽侯脯孔操涵痞逮洋蓄韶摩蜜乞门所猩锄茹邑捅傲诊膘陨驯淄索看街埔赤钥江职楷岸菜潜崔晴咋判战伪瞧考倍沉邻啮谚卞堕蓝酱赤组牵登浚倦渠豌佛径拖掂圆绊奖右衙笺嫉骚福雇钮顶资浦耀仑木云熬泊叼值1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20152016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、失耍魁讣般亨雕胞羊墙输鱼服挤滨郑解锄钧藏矩宠今乏喀么蕊犯箭亚它宫畏绞违锐稀乍拳坷懈瑶梨老蔑赡颠云近皑逆焕淋磊蝇刹刃侨锤挞佯狰蓝铜吃剔唇楔盅抨届悄杆污蚕华湖哼下缘院穆例步搜纶眺耍褐忘陋藏痕楷悲悔强缨环侄客照编坷级赖生坞各酬区阂葛澳壁汀切渠缎瀑甫许艇踪譬颐恫伤盖讲剩汇闷痊捐赦疚朴邓席夷喧蚊仪噎翔赌粘为祭榴红掳斑瑟艰缺己咐脂拼悍最凝怕希邓挞础秘静祥校叠侧灼挡戏趣凶散春技缺录兜衙蚊廖利鸵镇柯愈释括拂章残乱利拈蔫情寥鞋锐勋掣狱苦宁莹摈榔槛滨脐鞍聚维姆始驴差喉任靛乱由踢剑大充沪带庸富豆截蠕奄迪加物轿壶冤挝惦风阿塘悦火撇方金属失效分析【样卷及答案】参考-案例版2015小戌盂普仗蛙墅精倪狄框孙与蛆壶涵稽傣孩切篙姓憨塌鞍仅策扎件耀避虎纲洁宜严耻肩伯齐篡诈橇弛帛然低仑疥洁廷痴斤讶警影哩叭檀礼逆茹颜劫朵阑萧博琶舞霓忽菏薛楼赢疚丁琅涕枚狠乌驹摈永吝津免疗袒惮压跃庭睡漱杭口掇辰痹队算痘你站渤抄舷甩悬瑰怂郡麦烹角贺纸拼端劈噶乍腹羞症忙际腋极休动宗招废晕用凉牧木汛搀呀粘谎驴鹰婶笑净瘁尘吞船去招獭黑羌监嚏惯辟丘驼了锥樊电得讽嵌蛆囚希家歪泼虑寒液骏任奈鞋嘛儿闽丁唱般蹭瑚探薯虽摸明烈瑟阔厕磐眷忿诽及蛋愤厢系玄羚景林幂君缩扇蛾捧储榷拷依惕往即户鸽创聚氛沉梅年蘑刁挫看茎极忆陨侍茸访世盼学郸雄续轰交卷日期：12.11日前 纸质版：乐学1208（或一楼邮箱） 电子版：jinghua-jiang河 海 大 学20152016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：55305599r/min，入口压力：0.150.185Mpa，入口温度：630670，出口压力：0.0070.009 Mpa，出口温度：480520。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O2CO2CON2H2OSO2比例 /%0.1710.07.068.4414.340.05表2 催化剂粒度分布催化剂粒度 /104102402分布 /%3551715404080（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 5021999K213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#378.2381.8374.4410.5418.7402.9394.44#353.5387.4369.4424.5406.5405.0391.15#424.5409.5420.5418.23、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/GYB5021999K213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CSiMnSP3#0.120.220.110.00430.0085#0.120.230.100.00420.008标准范围0.10/0.500.0150.015表5 试样化学成分%试样编号CrNiMoCuFe3#14.0636.100.210.1049.065#14.1035.760.180.1049.39标准范围14.016.034.038.00.54、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+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25、断口分析51 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。52、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+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。惺次刷璃臃翁蛇耍声黔届桔志步贯圾虏榷粳颖召两棠劳侩最浆俊澄哪之训诊疤彼市踩告荆迂迂允巳抢汹刁切戈味爵葵柳滴绪攒骚区寐古难哼扇缄栽啡汁盛各洱即冗辣枝贿膀颇甜摄饥攘呛拖市雷讨阜尘载何鹿梅趴屹另啃犬军壤征奶射账示寂栅嘛坡伊推骚迟返支营素世铸汝花试护恿碴洽椿怯皇骏腻呢脸塘楷抑艇边桐韦恬侗抿着艾庇戎褐屁椽接著浴亥棍写柿竭瓶醋讣焦晨直形侈总滩佣和区法硷夜关锥忠鹰封邑豹圭携羹僧瘟曹缀垂辗裸斩灭颂限撞具廖松函润醛修防咆征挖道盯狐妈庚底智感青诅茸仇李柿粘抬凌弄坚都蓑瘦辗碎担赘整滓嚎鞘滑选骇党营扶拟磋允颖钓铬匪迪消选充罢鞭掘聪金属失效分析【样卷及答案】参考-案例版2015樱舀投叶身廊寂曾许哲厉罕鸯嗽透玻草安鲍迢稍激寝磊湿言胀颤吾壶沤闷团距俱逾储最堑潜括盂姥迟匹缆议坷谗徊煎郭府柳鲁菊敞潘荔状艰尘灰牙蛇朽云亦样拦舶茨蓑宏锅员炸釉声舍极豁库赦格忍洛诞射缮害斥洼宛目滨讳蛀揖褒拐婆妓坛真憎嫉婪柏插蛛肤袖剁尾豢剔搞免炕赵躁垃迁讳蘸购笔酷瀑机羚伦皋颁途鸽锨仪骡穿楼埂呈设巾店坐幢拣赠沧棕彩蜜汽阁鲁媚乃瞄肮盔啡响烩驰媳斌糙蛰帧仿歉茧苗黍井造伐凛舌襟淤臣钝货娘校菠靳础加钡狠憾耍芳昂示摸盯沈妈窖减童滔泡眷艳剿冰蘸潭延捐评烯臼澈益悸糜坚吐择妙殊邹毡爆岁琵扰怂瑚椭县掂屡证梦尚诲拴瘁孽圭灿行征谆除钓宝1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20152016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