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1、失效分析的步骤：失效分析的步骤：1、现场调查、现场调查保护现场；查明事故发生的时间、地点及失效过程；保护现场；查明事故发生的时间、地点及失效过程；收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口；选取进收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口；选取进一步分析的试样，并标明位置及取样方法；询问募集一步分析的试样，并标明位置及取样方法；询问募集者及其他有关人员，了解有关情况；写出现场调查报者及其他有关人员，了解有关情况；写出现场调查报告。告。2、收集背景材料、收集背景材料设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期，设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期，设计参数等；设备的运行记录；维修历史；失效历史；
2、设计参数等；设备的运行记录；维修历史；失效历史；选材依据等。选材依据等。3、技术参量复验、技术参量复验化学成分；金相组织和硬度及其分布；常规力学性能；化学成分；金相组织和硬度及其分布；常规力学性能；主要部件的几何参量及装备问题。主要部件的几何参量及装备问题。4、深入分析、深入分析失效分析的直观检查（变形、损伤情况，裂纹扩展，失效分析的直观检查（变形、损伤情况，裂纹扩展，断裂源）；断口宏观分析及微观形貌分析；无损检测断裂源）；断口宏观分析及微观形貌分析；无损检测（涡流、着色、磁粉、（涡流、着色、磁粉、X射线、超声波等）；表面及射线、超声波等）；表面及界面成分分析；局部及微区成分分析；相结构分析；
3、界面成分分析；局部及微区成分分析；相结构分析；断裂韧度检查，强度，韧性及刚度校核。断裂韧度检查，强度，韧性及刚度校核。5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论、综合分析归纳，推理判断提出初步结论6、重现性试验或证明试验、重现性试验或证明试验7、撰写失效分析报告、撰写失效分析报告一、腐蚀失效一、腐蚀失效腐蚀失效分析的内容及步骤：腐蚀失效分析的内容及步骤：1、详细勘察事故现场。、详细勘察事故现场。2、腐蚀形貌宏观分析。、腐蚀形貌宏观分析。3、腐蚀产物分析。、腐蚀产物分析。4、腐蚀形貌微观分析。、腐蚀形貌微观分析。5、对材料性能进行复检。、对材料性能进行复检。6、失效模式的判断及重现性试验。、失效模式
4、的判断及重现性试验。7、综合讨论及总结、综合讨论及总结预防腐蚀失效的一般原则：预防腐蚀失效的一般原则：二、疲劳断裂二、疲劳断裂疲劳断裂失效的原因疲劳断裂失效的原因:1、零件的结构形状。、零件的结构形状。2、表面状态。、表面状态。3、材料及其组织状态。、材料及其组织状态。4、装备与连接效应。、装备与连接效应。5、使用环境。、使用环境。6、载荷频谱。、载荷频谱。疲劳断裂的预防措施疲劳断裂的预防措施:1、延缓疲劳裂纹萌生的时间。、延缓疲劳裂纹萌生的时间。2、降低疲劳裂纹的扩展速率。、降低疲劳裂纹的扩展速率。3、提高疲劳裂纹门槛值的长度（、提高疲劳裂纹门槛值的长度（Kth）。）。4、合理的选择材料。、
5、合理的选择材料。三、磨损失效分析三、磨损失效分析磨损失效分析的步骤：磨损失效分析的步骤：1、现场调查及宏观分析。、现场调查及宏观分析。2、测量磨损失效情况。、测量磨损失效情况。3、检查润滑情况及润滑剂质量。、检查润滑情况及润滑剂质量。4、摩擦副材质的检查。、摩擦副材质的检查。5、进行必要的模拟试验。、进行必要的模拟试验。6、确定磨损机制，失效原因，提出改进措施。、确定磨损机制，失效原因，提出改进措施。磨损失效分析的内容：磨损失效分析的内容：1、磨损表面形貌分析。、磨损表面形貌分析。2、磨损亚表层分析。、磨损亚表层分析。3、磨屑分析。、磨屑分析。腐蚀失效的预防措施：腐蚀失效的预防措施：1、改进结
6、构设计及制造工艺。、改进结构设计及制造工艺。2、改进使用条件，提高维护质量。、改进使用条件，提高维护质量。3、工艺措施。、工艺措施。4、材料选择。、材料选择。5、表面处理、表面处理实例实例1 1 油气集输管道腐蚀失效分析油气集输管道腐蚀失效分析 某油田的管材和管网易出现腐蚀穿孔，试用学过的某油田的管材和管网易出现腐蚀穿孔，试用学过的知识对其失效形式进行分析，并提出合理的建议和预知识对其失效形式进行分析，并提出合理的建议和预防措施。防措施。 针对中原油田腐蚀穿孔的油气集输管道的管材和针对中原油田腐蚀穿孔的油气集输管道的管材和腐蚀产物分别进行元素及化合物分析、夹杂物分析，腐蚀产物分别进行元素及化合
7、物分析、夹杂物分析，从而为油气集输系统腐蚀失效的有效防护提供理论从而为油气集输系统腐蚀失效的有效防护提供理论依据。依据。1. 1. 腐蚀形貌和腐蚀产物分析腐蚀形貌和腐蚀产物分析1.1 1.1 腐蚀形貌和腐蚀产物分析腐蚀形貌和腐蚀产物分析 该油田集输管道腐蚀穿孔部位的形貌见该油田集输管道腐蚀穿孔部位的形貌见1 1图。图。图图1 1 集输管道的腐蚀形貌集输管道的腐蚀形貌 图图1 1的腐蚀形貌表明的腐蚀形貌表明, , 集输管道内壁存在较严重腐蚀集输管道内壁存在较严重腐蚀, , 表表面虚浮面虚浮, , 有很多腐蚀产物和锈垢有很多腐蚀产物和锈垢, , 沿液体流动方向出现线状沿液体流动方向出现线状腐蚀穿孔
8、腐蚀穿孔, , 由内向外由内向外, , 为内腐蚀穿孔为内腐蚀穿孔, , 从形貌上看腐蚀破坏从形貌上看腐蚀破坏还包含一定的流体冲刷作用。还包含一定的流体冲刷作用。1.2 X-射线衍射（射线衍射（XRD）分析）分析图图2 腐蚀产物的腐蚀产物的XRD图谱图谱 取下腐蚀管材上的腐蚀产物取下腐蚀管材上的腐蚀产物, 利用利用X-射线衍射仪进行了物质射线衍射仪进行了物质组成分析组成分析, 结果如图结果如图2所示。图结果表明所示。图结果表明, 集输管道的腐蚀产物集输管道的腐蚀产物主要为铁的氧化物（主要为铁的氧化物（FeO（OH）, NaCl和少量残和少量残Fe2O3。1.3 环境扫描电镜环境扫描电镜(EPMA
9、)分析分析 对已经腐蚀的管道对已经腐蚀的管道, , 分别用线切割截取小块腐蚀穿孔部分别用线切割截取小块腐蚀穿孔部位位, , 截面抛光后对其腐蚀部位进行电子探腐蚀产物的元素截面抛光后对其腐蚀部位进行电子探腐蚀产物的元素组成见组成见1 1表表。表表1 1 腐蚀有产物元素组成腐蚀有产物元素组成 由由1表可知表可知, 腐蚀产物中主要有腐蚀产物中主要有FeO，NaCl 口口,SiO2, 少量少量CaSO4和和Al2O3等化合物。等化合物。 腐蚀边缘形貌及元素面分析见图腐蚀边缘形貌及元素面分析见图3 3。图图3 腐蚀穿孔处截面形貌及元索面分析腐蚀穿孔处截面形貌及元索面分析 由图由图3可见可见, 腐蚀由里向
10、外发展腐蚀由里向外发展, 管材依次减薄直至穿孔管材依次减薄直至穿孔, 腐蚀边缘表面元素主要有腐蚀边缘表面元素主要有O、Cl 和和Fe等。对比腐蚀处与钢基等。对比腐蚀处与钢基处元素成分可知处元素成分可知, 腐蚀后表面的腐蚀后表面的O、 Cl元素的原子分数均增元素的原子分数均增大。大。 在图在图3 3所示腐蚀界面上所示腐蚀界面上, , 选取了离腐蚀穿孔处不同距离选取了离腐蚀穿孔处不同距离的两点（的两点（1 1，2 2）, , 进行了元素点分析进行了元素点分析, , 结果见表结果见表2 2。表表2 腐蚀产物元素组成腐蚀产物元素组成 对比对比1, 2两点的元素组成可以知道两点的元素组成可以知道, 距离
11、腐蚀孔较远处距离腐蚀孔较远处（点（点1）主要为）主要为Fe和和O元素元素, 靠近腐蚀孔处（点靠近腐蚀孔处（点2）则主要含）则主要含有有Fe、O和和Cl元素元素, 因此可以认为在管道腐蚀穿孔过程中因此可以认为在管道腐蚀穿孔过程中, Cl元素在腐蚀孔附近浓集元素在腐蚀孔附近浓集, 加速了管道的腐蚀破坏。加速了管道的腐蚀破坏。2. 管材组织和杂物分析管材组织和杂物分析2.1 2.1 管材的化学组成分析管材的化学组成分析 对集输管道分别钻取小样对集输管道分别钻取小样, , 进行钢材的化学成分分析进行钢材的化学成分分析, , 并与并与中国钢铁材料牌号手册中国钢铁材料牌号手册(1994)(1994)的标准
12、值进行比较的标准值进行比较, , 结果列于表结果列于表3 3。表表3 集输管道试样的化学组成分析集输管道试样的化学组成分析 W，% 由由3表的对比结果可知表的对比结果可知, 集输管道的化学成份基本在标准集输管道的化学成份基本在标准范围内。范围内。2.2 2.2 夹杂物分析夹杂物分析 对取回的集输管道割取小块对取回的集输管道割取小块, , 经表面抛光后在电子探经表面抛光后在电子探针下观察钢材中夹杂物分布和组成情况。夹杂物基本上均针下观察钢材中夹杂物分布和组成情况。夹杂物基本上均匀分散在整个钢材中。其中质量分数较大的一种球状夹杂匀分散在整个钢材中。其中质量分数较大的一种球状夹杂物物, , 由其元素
13、分析可知主要为铝酸镁夹杂物。另外集输管由其元素分析可知主要为铝酸镁夹杂物。另外集输管道钢材中还含有其它两种质量分数较小的夹杂物道钢材中还含有其它两种质量分数较小的夹杂物, , 元素分元素分析表明析表明, , 该夹杂物主要为铝酸钙以及铝酸镁和铝酸钙的复该夹杂物主要为铝酸钙以及铝酸镁和铝酸钙的复合夹杂物。合夹杂物。3. 分析与结论分析与结论 通过对集输管道腐蚀产物和材质夹杂物分析结果可看通过对集输管道腐蚀产物和材质夹杂物分析结果可看出出, , 腐蚀产物主要是铁盐、铁氧化物、二氧化硅和硫酸钙腐蚀产物主要是铁盐、铁氧化物、二氧化硅和硫酸钙盐等盐等, , 夹杂物主要是铝酸钙、铝酸镁和氧化铝等。夹杂物主要
14、是铝酸钙、铝酸镁和氧化铝等。 腐蚀产物中铁氧化物来源主要是腐蚀管道存放时腐蚀产物中铁氧化物来源主要是腐蚀管道存放时, 大大气中的氧对腐蚀产物及材质作用而产生的气中的氧对腐蚀产物及材质作用而产生的, 属于二次腐属于二次腐蚀产物。蚀产物。腐蚀穿孔在管道底部腐蚀穿孔在管道底部, , 输送的介质为含油污水输送的介质为含油污水, , 污水中氯化物污水中氯化物矿化度较高矿化度较高, PH, PH值为左右值为左右6.5,6.5,介质有一定腐蚀性介质有一定腐蚀性, , 当流体缓慢当流体缓慢输送时输送时, , 流体中的泥沙固体颗粒或沉淀物沉积在管线底部流体中的泥沙固体颗粒或沉淀物沉积在管线底部, , 引引起管道
15、局部腐蚀起管道局部腐蚀, , 尤其是在夹杂处腐蚀更易发生。受腐蚀的局尤其是在夹杂处腐蚀更易发生。受腐蚀的局部点成为阳极部点成为阳极, , 其它地方为阴极其它地方为阴极, , 腐蚀不断进行腐蚀不断进行, , 最终造成管最终造成管线腐蚀穿孔。线腐蚀穿孔。实例实例2 2 40Cr 齿轮失效分析齿轮失效分析 齿轮在运行过程中，啮合齿面之间既有滚动，又有滑动，齿轮在运行过程中，啮合齿面之间既有滚动，又有滑动，而且齿轮根部还将受到交变弯曲应力的作用，要求齿轮表面有而且齿轮根部还将受到交变弯曲应力的作用，要求齿轮表面有较高的硬度及耐磨性，心部具有较好的强韧性。齿轮材料为较高的硬度及耐磨性，心部具有较好的强韧
16、性。齿轮材料为40Cr40Cr，热处理工艺为调质后表面进行高频淬火，技术要求，热处理工艺为调质后表面进行高频淬火，技术要求: :表表面组织为回火马氏体（面组织为回火马氏体（505055 HRC55 HRC），心部为回火索氏体），心部为回火索氏体（241241 286 HBS286 HBS）。齿轮使用一段时间后，表面出现了严重的）。齿轮使用一段时间后，表面出现了严重的点蚀损伤。试用学过的知识对点蚀产生的原因进行分析，并提点蚀损伤。试用学过的知识对点蚀产生的原因进行分析，并提出相应的改进措施。出相应的改进措施。1.1 1.1 原材料分析原材料分析 通过通过DV2 型直读光谱仪测定齿轮原材料的化学成
17、分（质型直读光谱仪测定齿轮原材料的化学成分（质量分数，量分数，%）为：）为：0.41C，0.28Si，0.64Mn，0.91Cr，符合材，符合材料标准要求。料标准要求。1.2 1.2 扫描电镜分析扫描电镜分析 从齿轮损坏处取样，经从齿轮损坏处取样，经JSM-6380LA 型扫描电镜观察，型扫描电镜观察，齿轮损坏处表面形成了严重的凹凸伤痕面、椭圆形剥落麻齿轮损坏处表面形成了严重的凹凸伤痕面、椭圆形剥落麻坑和片状起皮等缺陷。坑和片状起皮等缺陷。1.3 1.3 金相检验金相检验 根据根据ZB J36 009-88(钢件感应淬火金相检验钢件感应淬火金相检验)标准，检标准，检验的试样分别在齿轮损坏处和未
18、损坏处截取，验的试样分别在齿轮损坏处和未损坏处截取， 试样制备试样制备后用后用4%硝酸酒精浸蚀。在硝酸酒精浸蚀。在EPIPHOT-300 型尼康金相显型尼康金相显微镜上进行观察，未损坏齿轮齿顶、节圆和心部金相组织见微镜上进行观察，未损坏齿轮齿顶、节圆和心部金相组织见图图1 1（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）；损坏齿轮的组织见图）；损坏齿轮的组织见图1 1（d d）。）。1.4 1.4 金相检验金相检验 对制备好的试样，在对制备好的试样，在FM-700 型显微硬度计上用型显微硬度计上用9.8 N（1 kgf）的实验力，分别在齿顶和节圆处由表面垂直向里测定）的实验力，分别在齿顶和节圆
19、处由表面垂直向里测定硬度，结果见表硬度，结果见表1。图图1 1失效（失效（d d），未失效（），未失效（a a，b, cb, c）表1 齿轮表面的硬度(HV1)分布2.2.实验结果与分析实验结果与分析 由检测结果可知，齿轮原材料的化学成分是合格的。金相由检测结果可知，齿轮原材料的化学成分是合格的。金相分析时，发现未损坏的齿轮齿顶和节圆处表层组织为回火索氏分析时，发现未损坏的齿轮齿顶和节圆处表层组织为回火索氏体，晶界上分布着细小网状铁素体，表层未发现马氏体组织，体，晶界上分布着细小网状铁素体，表层未发现马氏体组织，心部存在着托氏体和网、块、条状铁素体，见图心部存在着托氏体和网、块、条状铁素体，见
20、图1（a）、）、（b）、（）、（c）；损坏的齿轮整个表面至心部组织出现严重的塑）；损坏的齿轮整个表面至心部组织出现严重的塑性变形和塑性流动，并在节圆处有压溃裂纹，裂纹的扩展方向性变形和塑性流动，并在节圆处有压溃裂纹，裂纹的扩展方向与塑性变形方向一致，见图与塑性变形方向一致，见图1（d）。）。 由硬度分布结果可以看出，轮表面硬度低，基本不呈阶梯由硬度分布结果可以看出，轮表面硬度低，基本不呈阶梯分布，表层无硬化层。高频淬火工艺没有有效地实施，致使齿分布，表层无硬化层。高频淬火工艺没有有效地实施，致使齿轮表面没有淬硬层，当齿轮在运行过程中受到很高的反复接触轮表面没有淬硬层，当齿轮在运行过程中受到很高
21、的反复接触应力时，就会产生疲劳，造成齿轮啮合面变形，使磨损增加，应力时，就会产生疲劳，造成齿轮啮合面变形，使磨损增加，形成片状剥落和椭圆形麻坑等典型的点蚀缺陷。由此可见，齿形成片状剥落和椭圆形麻坑等典型的点蚀缺陷。由此可见，齿轮出现点蚀损伤的主要原因为齿轮表面至心部存在强度很低的轮出现点蚀损伤的主要原因为齿轮表面至心部存在强度很低的铁素体，当受到应力时，就会产生剥落。铁素体，当受到应力时，就会产生剥落。3 3 改进措施改进措施 通过以上分析，齿轮失效的主要原因是表面耐磨性差、通过以上分析，齿轮失效的主要原因是表面耐磨性差、心部强度低。建议采取如下措施：心部强度低。建议采取如下措施：（1 1）改
22、进热处理工艺参数，保证调质后能获得细小均匀的）改进热处理工艺参数，保证调质后能获得细小均匀的回火索氏体组织。回火索氏体组织。 齿轮淬火温度应选择在齿轮淬火温度应选择在840840860860，使用浓度为，使用浓度为0.2%0.2%的聚的聚乙烯醇合成淬火剂，保证淬火后得到马氏体组织。经乙烯醇合成淬火剂，保证淬火后得到马氏体组织。经540540570570回火后的组织为细小均匀的回火索氏体，硬度回火后的组织为细小均匀的回火索氏体，硬度241241286 286 HBSHBS，以保证齿轮心部的综合性能。，以保证齿轮心部的综合性能。（2）高频淬火时，加热温度控制在）高频淬火时，加热温度控制在86088
23、0，采用，采用10%15%的乳化液冷却，经的乳化液冷却，经180200回火后，硬度为回火后，硬度为5055 HRC；同时保证硬化层深度达到技术条件，从而提；同时保证硬化层深度达到技术条件，从而提高了齿轮表面的塑性变形抗力并减少了齿面间的摩擦系数，高了齿轮表面的塑性变形抗力并减少了齿面间的摩擦系数，增强了齿轮抗磨损性能。增强了齿轮抗磨损性能。实例实例3 3 齿轮断齿失效分析齿轮断齿失效分析 一人字形轴齿轮在检修时发现动力输入侧齿轮上一个齿一人字形轴齿轮在检修时发现动力输入侧齿轮上一个齿从齿根处整体断裂从齿根处整体断裂,见图见图1 。该人字形轴齿轮材质为。该人字形轴齿轮材质为50SiMnMoV ,
24、共有共有34 根齿。技术要求为：热处理工艺，调质根齿。技术要求为：热处理工艺，调质处理处理+ 表面淬火表面淬火;调质处理后硬度调质处理后硬度241286HB ,齿部淬火后硬齿部淬火后硬度度4550HRC ;齿面和齿根淬硬层深齿面和齿根淬硬层深24 mm。图图1 1 断裂轴齿轮宏观照断裂轴齿轮宏观照1.轴齿轮断齿检测分析轴齿轮断齿检测分析1. 1 宏观分析宏观分析1. 1. 1 着色渗透探伤着色渗透探伤 对该断齿轴齿轮表面进行着色渗透探伤，发现有对该断齿轴齿轮表面进行着色渗透探伤，发现有14 14 根齿根根齿根部出现裂纹，裂纹总数量为部出现裂纹，裂纹总数量为1717条，长度条，长度4040300
25、 mm300 mm不等不等; ;并有并有4 4 处齿顶崩落。处齿顶崩落。1. 1. 2 断口分析断口分析对断齿的断口进行宏观断口形貌分析对断齿的断口进行宏观断口形貌分析(图图2) 。断口为明。断口为明显疲劳明断口，疲劳源位于齿轮的啮合面的根部，呈现多显疲劳明断口，疲劳源位于齿轮的啮合面的根部，呈现多源疲劳特征，裂纹扩展区面上有明显的疲劳贝纹源疲劳特征，裂纹扩展区面上有明显的疲劳贝纹,最后瞬断最后瞬断区位于齿轮非啮合面的根部，瞬断区的面积占整个断面面区位于齿轮非啮合面的根部，瞬断区的面积占整个断面面积约积约20 %。整个断面无塑性变形。折断齿的啮合面有明显。整个断面无塑性变形。折断齿的啮合面有明
26、显的纵向刀痕的纵向刀痕,在齿轮体上呈凹窝状。在齿轮体上呈凹窝状。图图2 2 断齿断口宏观形貌断齿断口宏观形貌1. 2 化学成分分析化学成分分析该轴齿轮的材质为该轴齿轮的材质为50SiMnMoV50SiMnMoV，在断齿上取样进行化学成分，在断齿上取样进行化学成分分析，结果见表分析，结果见表1 1。可以看出。可以看出SiSi、MoMo、V V含量偏低含量偏低, ,其他元素其他元素符合标准要求。符合标准要求。表表1 化学成分分析结果化学成分分析结果 %裂纹源裂纹源1. 3 硬度测试硬度测试在断齿上分别对齿的硬化层及心部取样进行硬度测试，在断齿上分别对齿的硬化层及心部取样进行硬度测试，结果见表结果见
27、表2 2。按技术要求。按技术要求: :齿部淬火后硬度齿部淬火后硬度454550HRC50HRC；调质；调质处理后硬度处理后硬度241241286HB286HB。淬硬层硬度和心部硬度均符合图纸。淬硬层硬度和心部硬度均符合图纸要求。要求。表表2 硬度测试结果硬度测试结果1. 4 金相检验金相检验在断齿上取断齿截面做金相检验。心部的金相组织为：在断齿上取断齿截面做金相检验。心部的金相组织为：回火索氏体；硬化层的金相组织为：淬火马氏体回火索氏体；硬化层的金相组织为：淬火马氏体, ,见图见图3 3、4 4。图图3 3 心部金相组织心部金相组织500500图图4 硬化层金相组织硬化层金相组织500 按技术
28、要求按技术要求,齿面和齿根淬硬层硬深齿面和齿根淬硬层硬深24mm。对断齿横。对断齿横截面金相试样进行低倍观察淬硬层分布，齿面两侧硬化层截面金相试样进行低倍观察淬硬层分布，齿面两侧硬化层分布不均匀分布不均匀,啮合侧硬化层深度为啮合侧硬化层深度为24 mm ；非啮合侧硬化；非啮合侧硬化层深度只有层深度只有02 mm ； 齿根部未发现有硬化层，见图齿根部未发现有硬化层，见图5 、图图6 。图图5 齿面硬化层齿面硬化层图图6 齿根硬化层齿根硬化层1 1.5 5 微观断口分析微观断口分析 对断齿的断口进行扫描电镜断口形貌分析，断口为准解对断齿的断口进行扫描电镜断口形貌分析，断口为准解理断口形貌，裂纹起源
29、处有明显的指向裂纹源的放射性花样，理断口形貌，裂纹起源处有明显的指向裂纹源的放射性花样，在裂纹扩展区处有疲劳辉纹，见图在裂纹扩展区处有疲劳辉纹，见图7 、图、图8 。图图7 裂纹起源处放射性花样裂纹起源处放射性花样图图8 8 裂纹扩展处疲劳辉纹裂纹扩展处疲劳辉纹2 2 分析与讨论分析与讨论(1) 轴齿轮服役受力如图轴齿轮服役受力如图9 所示所示,齿轮通过轴作用在齿根部齿轮通过轴作用在齿根部过渡圆角的最大正应力应位于齿根部过渡的平分线上过渡圆角的最大正应力应位于齿根部过渡的平分线上,失效轴失效轴齿轮的裂纹扩展面齿轮的裂纹扩展面断口也正位于最大正应力面上。因此齿断口也正位于最大正应力面上。因此齿根
30、处承受的弯曲正应力最大。轴齿轮要求齿轮的齿根和齿面根处承受的弯曲正应力最大。轴齿轮要求齿轮的齿根和齿面进行硬化处理进行硬化处理,其目的是提高承受最大弯曲正应力处且又是应其目的是提高承受最大弯曲正应力处且又是应力集中部位的齿根的表面硬度、提高抗弯曲疲劳强度力集中部位的齿根的表面硬度、提高抗弯曲疲劳强度 。齿面。齿面的硬化处理目的是提高齿面的耐磨性和接触疲劳性能。的硬化处理目的是提高齿面的耐磨性和接触疲劳性能。图图9 9 轴齿轮工作时的受力分析轴齿轮工作时的受力分析(2) (2) 齿轮的断裂性质齿轮断齿断口为凹窝蝶状断口，有明显齿轮的断裂性质齿轮断齿断口为凹窝蝶状断口，有明显疲劳贝纹，无明显塑性变
31、形，最后瞬断区所占断口比例较小，疲劳贝纹，无明显塑性变形，最后瞬断区所占断口比例较小，因此该断裂非过载所致因此该断裂非过载所致, ,是疲劳断裂。疲劳源位于齿轮的啮合面是疲劳断裂。疲劳源位于齿轮的啮合面的根部圆角处的根部圆角处, ,呈多源疲劳特征。呈多源疲劳特征。 (3) 齿轮材质该齿轮材料的化学成分不完全符合齿轮材质该齿轮材料的化学成分不完全符合50SiMnWoV 的化学成分标准要求的化学成分标准要求, Si 、Mo 、V 含量偏低含量偏低,但是但是齿轮心部的硬度达到了技术要求齿轮心部的硬度达到了技术要求,因此部分元素含量偏低并不是因此部分元素含量偏低并不是造成该齿轮断裂的主要原因。造成该齿轮
32、断裂的主要原因。(4) (4) 表面硬化层处理工艺硬化层金相组织为马氏体，硬化表面硬化层处理工艺硬化层金相组织为马氏体，硬化层硬度满足设计要求，表明加热制度及冷却制度制订合理，但层硬度满足设计要求，表明加热制度及冷却制度制订合理，但工艺控制不稳定工艺控制不稳定, ,造成硬化层深度分布不均，其中一侧硬化层造成硬化层深度分布不均，其中一侧硬化层深度不满足技术要求，齿根无淬硬层。硬化层深度分布不均、深度不满足技术要求，齿根无淬硬层。硬化层深度分布不均、齿根不淬硬均造成齿根的抗弯曲疲劳强度严重不足。同时齿根齿根不淬硬均造成齿根的抗弯曲疲劳强度严重不足。同时齿根过渡圆角偏小又有纵向刀痕时，引起较大的应力
33、集中，则在齿过渡圆角偏小又有纵向刀痕时，引起较大的应力集中，则在齿根处形成弯曲疲劳断裂。根处形成弯曲疲劳断裂。3 结论结论 (1) (1) 该轴齿轮的齿折断是为弯曲疲劳断裂的结果，裂纹该轴齿轮的齿折断是为弯曲疲劳断裂的结果，裂纹起源于齿根处。起源于齿根处。 (2) (2) 齿根处没有进行硬化处理造成齿根处抗疲劳性能不齿根处没有进行硬化处理造成齿根处抗疲劳性能不足是导致轴齿轮疲劳断裂的主要原因，另外齿根过渡处倒角足是导致轴齿轮疲劳断裂的主要原因，另外齿根过渡处倒角过小，且存在纵向刀痕引了起较大应力集中也会导致轴齿轮过小，且存在纵向刀痕引了起较大应力集中也会导致轴齿轮疲劳断裂。疲劳断裂。 (3)
34、(3) 由于该齿轮承受载荷较高由于该齿轮承受载荷较高, ,对其材质、加工工艺、对其材质、加工工艺、热处理工艺应该严格按照设计要求热处理工艺应该严格按照设计要求, ,保证加工精度提高啮合保证加工精度提高啮合精度精度, ,选择适当的齿根过渡处倒角尺寸选择适当的齿根过渡处倒角尺寸, ,确保热处理到位提高确保热处理到位提高根部抗疲劳性能。根部抗疲劳性能。实例实例4 管道连接头腐蚀失效分析管道连接头腐蚀失效分析 不锈钢管道连接头是石油化工厂管道系统中的连接件，管不锈钢管道连接头是石油化工厂管道系统中的连接件，管道内通柴油气，即烃类气体道内通柴油气，即烃类气体, ,含甲烷及氢气大约为含甲烷及氢气大约为75
35、%,75%,， 此外此外还含有硫化氢、水蒸气等。该系统运行还含有硫化氢、水蒸气等。该系统运行4 4 个月后停止工作个月后停止工作, ,一一段时间后对管道连接头进行检查段时间后对管道连接头进行检查, ,发现其已破裂泄漏。资料表发现其已破裂泄漏。资料表明该零件由明该零件由0Cr18Ni9Ti0Cr18Ni9Ti不锈钢制造。图不锈钢制造。图1 1 为管道连接头实物照。为管道连接头实物照。图图1 管道连接头实物照管道连接头实物照2 理化检验理化检验2. 1 宏观裂纹着色检查宏观裂纹着色检查 管道连接头焊缝周围出现锈斑管道连接头焊缝周围出现锈斑, ,经着色后经着色后, ,裂纹分布情裂纹分布情况见图况见图
36、2 2 。由图可见。由图可见, ,破裂处呈小点状破裂处呈小点状, ,数量不多。纵向剖数量不多。纵向剖开焊缝开焊缝, , 焊缝边缘不平整焊缝边缘不平整, , 有咬边现象。有咬边现象。图图2 2 焊缝着色后裂纹分布状况焊缝着色后裂纹分布状况2. 2 金金相检验相检验 在管道连接头热影响区取金相试样在管道连接头热影响区取金相试样, ,光学显微镜下观察光学显微镜下观察, ,图图3a3a为靠焊缝区边缘的显微裂纹形貌为靠焊缝区边缘的显微裂纹形貌, ,沿着晶界发生了腐蚀。图沿着晶界发生了腐蚀。图3b3b也是焊缝区边缘的显微裂纹形貌也是焊缝区边缘的显微裂纹形貌, ,它的腐蚀路径呈一种带状它的腐蚀路径呈一种带状
37、沿晶腐蚀。焊缝两侧显微组织基本为单相奥氏体。沿晶腐蚀。焊缝两侧显微组织基本为单相奥氏体。(a) 125 (b) 250 图图3 焊缝附近的裂纹形态和金相组织王水侵蚀焊缝附近的裂纹形态和金相组织王水侵蚀2. 3 化学成分分析化学成分分析 对焊缝及其两侧基体材料进行化学成分分析对焊缝及其两侧基体材料进行化学成分分析, ,分析结果分析结果表明表明, ,焊条的成分是合格的焊条的成分是合格的, ,而管道连接头基体材料不是而管道连接头基体材料不是0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,而是而是2Cr18Ni9,2Cr18Ni9,见表见表1 1。表表1 化学成分分析结果化学成分分析结果w2. 4 腐蚀产
38、物分析腐蚀产物分析 将管道连接头内壁焊缝周围粉状腐蚀产物用锯条刮下进行将管道连接头内壁焊缝周围粉状腐蚀产物用锯条刮下进行化学分析。其中化学分析。其中ClCl-1-1为为0.08%0.08%，S S-2-2为为1.86% 1.86% 。这表明流入管道。这表明流入管道连接头内的液体介质中含有氯化物和硫化物。连接头内的液体介质中含有氯化物和硫化物。3 管道连接头破裂分析管道连接头破裂分析 图图2 2和图和图3 3 表明管道连接头腐蚀破坏是属于一种点蚀和晶间表明管道连接头腐蚀破坏是属于一种点蚀和晶间腐蚀腐蚀, ,但主要起因是点蚀但主要起因是点蚀, ,其产生原因如下其产生原因如下: : (1) (1)
39、用材有误管道连接头材料应该选用用材有误管道连接头材料应该选用0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,或其或其它超低碳含钼不锈钢。而失效管道连接头材料为它超低碳含钼不锈钢。而失效管道连接头材料为2Cr18Ni9, 2Cr18Ni9, 这这种材料不适合用作焊接结构材料种材料不适合用作焊接结构材料, ,只宜做机械零件材料。只宜做机械零件材料。2Cr18Ni92Cr18Ni9不锈钢含碳量较高为不锈钢含碳量较高为0.17% 0.17% 。文献指出。文献指出, ,碳量过高易产碳量过高易产生点蚀和晶间腐蚀。碳在晶界处和铬形成铬的碳化物生点蚀和晶间腐蚀。碳在晶界处和铬形成铬的碳化物, ,使晶界贫使晶界贫铬
40、铬, ,产生晶间腐蚀产生晶间腐蚀( (见图见图3)3)。另外。另外,2Cr18Ni9,2Cr18Ni9钢不含钛钢不含钛, ,故不耐晶故不耐晶间腐蚀。间腐蚀。 (2) (2) 焊接质量欠佳焊接质量不好使得焊缝边缘有咬边、焊接质量欠佳焊接质量不好使得焊缝边缘有咬边、缝隙等缺陷。焊后在焊区有氧化物附着物缝隙等缺陷。焊后在焊区有氧化物附着物, ,附着物与金属表面构附着物与金属表面构成间隙。这些位置有利于液体介质滞留成间隙。这些位置有利于液体介质滞留, ,易产生点蚀或缝隙腐蚀。易产生点蚀或缝隙腐蚀。 (3) 液体介质腐蚀产物分析结果表明液体介质腐蚀产物分析结果表明,液体介质中有氯液体介质中有氯离子和硫离
41、子。硫离子是柴油气体介质中的硫化氢溶于冷凝水离子和硫离子。硫离子是柴油气体介质中的硫化氢溶于冷凝水形成的形成的,氯离子可能是原油中混有少量海水而带入的。而氯离子氯离子可能是原油中混有少量海水而带入的。而氯离子和硫离子是引起虫眼状点状腐蚀的主要离子和硫离子是引起虫眼状点状腐蚀的主要离子,即使是浓度很低即使是浓度很低,点点状腐蚀成长速度也很快状腐蚀成长速度也很快,特别在液流停滞、外界大气侵入、温度特别在液流停滞、外界大气侵入、温度变化时极易发生点蚀破坏。停止运行期比正常运行时更容易发变化时极易发生点蚀破坏。停止运行期比正常运行时更容易发生点蚀破坏生点蚀破坏,液流停滞状态可使阳极区保持强酸性溶液液流
42、停滞状态可使阳极区保持强酸性溶液,不易同阴不易同阴极区的整体溶液混和极区的整体溶液混和,有利于点蚀发展。反之有利于点蚀发展。反之,溶液运动溶液运动(对流对流) 可可减轻减轻Cl-1 和和S-2 局部浓缩局部浓缩,抑制点蚀发展。抑制点蚀发展。 管道连接头内壁焊接区两侧存在的咬边及不光滑区易滞留管道连接头内壁焊接区两侧存在的咬边及不光滑区易滞留液体。当系统停止运行时液体。当系统停止运行时,气体介质冷凝为液体介质气体介质冷凝为液体介质,并使液体介并使液体介质质滞留在某些咬边处，加上大气的侵入滞留在某些咬边处，加上大气的侵入,Cl-1和和S-2 局部浓缩局部浓缩,使咬使咬边和不光滑处产生点蚀。点蚀孔洞
43、产生后，浓缩的边和不光滑处产生点蚀。点蚀孔洞产生后，浓缩的Cl-1和和S-2 继续腐蚀基体。由于基体材料含碳量高又不含钛继续腐蚀基体。由于基体材料含碳量高又不含钛,这种腐蚀就这种腐蚀就沿晶界发展，产生晶间腐蚀，致使管道连接头发生泄漏。沿晶界发展，产生晶间腐蚀，致使管道连接头发生泄漏。4 改进措施改进措施 根据管道连接头的腐蚀破坏分析及工作状况根据管道连接头的腐蚀破坏分析及工作状况, ,提出如下提出如下改进措施。改进措施。 (1) (1) 正确选择材料由于气体介质冷凝后的液体介质中正确选择材料由于气体介质冷凝后的液体介质中含有氯化物和硫化物含有氯化物和硫化物, ,易产生点蚀易产生点蚀, ,应选用
44、含钼的奥氏体不应选用含钼的奥氏体不锈钢和超低碳不锈钢锈钢和超低碳不锈钢, , 如如00Cr25Ni13MoN00Cr25Ni13MoN和和00Cr18Ni24Mo500Cr18Ni24Mo5。 (2) (2) 停止运行时的处理系统停止运行后停止运行时的处理系统停止运行后, ,应把设备内应把设备内部冷凝的液体介质排净。用清水清洗部冷凝的液体介质排净。用清水清洗, ,最好用冷凝水清洗最好用冷凝水清洗, ,并使管内保持密封、干燥。并使管内保持密封、干燥。 (3) (3) 焊接工艺提高焊接水平焊接工艺提高焊接水平, ,使焊区光滑使焊区光滑, ,无裂纹、缩无裂纹、缩孔、咬边等缺陷。焊后对焊缝边缘氧化物进
45、行酸洗清除和钝孔、咬边等缺陷。焊后对焊缝边缘氧化物进行酸洗清除和钝化处理。化处理。5 结论结论 经过对管道连接头腐蚀破坏泄漏检验与分析经过对管道连接头腐蚀破坏泄漏检验与分析, ,得出如下得出如下结论：结论： (1) (1) 管道连接头腐蚀破坏泄漏是由点蚀造成的管道连接头腐蚀破坏泄漏是由点蚀造成的; ;而系统停而系统停止运行后，在焊接咬边、不光滑处滞留的止运行后，在焊接咬边、不光滑处滞留的C C-1-1和和S S-2-2 的液体介的液体介质是形成点蚀的主要原因质是形成点蚀的主要原因; ; (2) (2) 误用了不耐点蚀和晶间腐蚀的误用了不耐点蚀和晶间腐蚀的2Cr18Ni92Cr18Ni9不锈钢。
46、不锈钢。例例5 化工厂奥氏体不锈钢氢气管道断裂失效分析化工厂奥氏体不锈钢氢气管道断裂失效分析 某化工厂奥氏体不锈钢氢气管道材料为某化工厂奥氏体不锈钢氢气管道材料为304不锈不锈钢钢(国内牌号国内牌号0Cr18Ni9)，工作压力小于，工作压力小于7 Mp，工作温，工作温度为常温，规格为度为常温，规格为18x2. 5 mm，工作介质中还伴有少量油。，工作介质中还伴有少量油。管道于管道于1997年投入使用年投入使用,工厂技术人员在工厂技术人员在2006年例行安全检查年例行安全检查中发现断裂。中发现断裂。 经过工厂技术人员宏观检查，发现失效部位位于该氢气管经过工厂技术人员宏观检查，发现失效部位位于该氢
47、气管道测压系统，其断裂部位在测压管短节与管道连接部位，断道测压系统，其断裂部位在测压管短节与管道连接部位，断口位于短节上，距短节与管道连接焊缝约口位于短节上，距短节与管道连接焊缝约10 mm。其宏观断口。其宏观断口照片见图照片见图1。图图1不锈钢管焊接接头实物及其宏观断口照片不锈钢管焊接接头实物及其宏观断口照片1 氢气管道断口形貌分析氢气管道断口形貌分析1 .1 氢气管道宏观断口形貌分析氢气管道宏观断口形貌分析 图图1是已经发生断裂的不锈钢管焊接接头实物及其宏观是已经发生断裂的不锈钢管焊接接头实物及其宏观断口照片，从照片中可以看出，断裂发生在焊缝附近热影响断口照片，从照片中可以看出，断裂发生在
48、焊缝附近热影响区部位。从图中可以看出区部位。从图中可以看出,不锈钢内、管内、外介质对该不锈钢内、管内、外介质对该不不不锈钢管均具有腐蚀作用，不过腐蚀程度较轻微，管壁厚度未不锈钢管均具有腐蚀作用，不过腐蚀程度较轻微，管壁厚度未见明显腐蚀减薄。从图中断口情况来看见明显腐蚀减薄。从图中断口情况来看,断口表面基本垂直于不断口表面基本垂直于不锈钢管轴线，为环形裂纹断口，断口锈钢管轴线，为环形裂纹断口，断口(断裂断裂)位置集中分布于焊位置集中分布于焊缝熔合线附近缝熔合线附近5 mm范围内。从断口壁厚和管壁厚度基本一致范围内。从断口壁厚和管壁厚度基本一致以及断口表面宏观形貌来看以及断口表面宏观形貌来看,该不
49、锈钢管断口基本没有塑性变形该不锈钢管断口基本没有塑性变形特征特征,属于脆性断口。由于断口位置靠近焊缝属于脆性断口。由于断口位置靠近焊缝(5 mm) ,而该部而该部位处于焊接热影响区位处于焊接热影响区,很可能已经发生敏化很可能已经发生敏化(碳化物在不锈钢晶碳化物在不锈钢晶界上的析出而导致晶间贫铬界上的析出而导致晶间贫铬) ,考虑到管内外介质亦具有一定的考虑到管内外介质亦具有一定的腐蚀性腐蚀性,因此可以初步判断该不锈钢管的断裂是由晶间腐蚀造成因此可以初步判断该不锈钢管的断裂是由晶间腐蚀造成的。的。1 .2 氢气管道微观断口形貌分析和内外表面氢气管道微观断口形貌分析和内外表面EDS成分分析成分分析
50、不锈钢管焊接接头的扫描电镜不锈钢管焊接接头的扫描电镜( SEM)( SEM)微观断口形貌照片微观断口形貌照片见图见图2 2，从照片中可以看出，从照片中可以看出, ,断口具有典型的沿晶断口形貌断口具有典型的沿晶断口形貌特征特征, ,并分布着大量的颗粒状腐蚀产物并分布着大量的颗粒状腐蚀产物, ,晶粒大小约晶粒大小约3030微米微米左右。从高倍左右。从高倍( (3000)3000)断口微观形貌断口微观形貌SEMSEM照片照片( (见图见图3)3)。还还可清晰观察到断口晶粒表面贫铬区微观腐蚀形貌特征可清晰观察到断口晶粒表面贫铬区微观腐蚀形貌特征,即断即断口区晶粒表面贫铬区的腐蚀也并不均匀，腐蚀优先在应
51、变能比口区晶粒表面贫铬区的腐蚀也并不均匀，腐蚀优先在应变能比较高的孪晶区（微观塑性变形区，属于不锈钢典型塑性变形方较高的孪晶区（微观塑性变形区，属于不锈钢典型塑性变形方式之一）进行，最终形成典型的鱼骨状微观断口形貌特征。式之一）进行，最终形成典型的鱼骨状微观断口形貌特征。图图2 2 不锈钢管焊接接头微观断口形貌不锈钢管焊接接头微观断口形貌SEM照片照片 图图3 3断口晶粒表面贫铬区微观腐蚀形貌断口晶粒表面贫铬区微观腐蚀形貌SEM照片照片1 .3氢气管道内外表面腐蚀产物分析氢气管道内外表面腐蚀产物分析不锈钢内外表面腐蚀产物分析见表1。从分件结果看,氢气管道外表面腐蚀成分中含有大量Cl- 和K+ ,且硫(S)元素含量均明显高于管内腐蚀产物,此不锈钢管接头是受到外部介质腐蚀作用而发生断裂的。 表表1不锈钢管内表面腐蚀产物与不锈钢外表面腐蚀产物分析结果不锈钢管内表面腐蚀产物与不锈钢外表面腐蚀产物分析结果%2 氢气管道管金相显微组织分析和显微硬度测试氢气管道管金相显微组织分析和显微硬度测试不锈钢管焊接接头金相显微组织见图4。(a) 焊缝区金相组织照片焊缝区金相组织照片(b) 熔合区金相组织照片熔合区金相组织照片(c) 热影响区金相组织照片热影响区金相组织照片图图4不锈钢管焊接接头金相显微组织照片不锈钢管焊接接头金相显
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