機械裝備的失效分析(續(xù)前)第5講 定量分析技術(shù)

王 榮

(1.上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評價重點實驗室, 上海 200437)

機械裝備的失效分析(續(xù)前)第5講 定量分析技術(shù)

王 榮

(1.上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評價重點實驗室, 上海 200437)

傳統(tǒng)的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、各種物理性能檢測、結(jié)構(gòu)受力分析等是機械裝備失效分析中經(jīng)常用到的分析方法，它們基本上都可以做到定量化分析，其結(jié)果可以用一個量值來表征，可以方便地與技術(shù)要求進行對比，對產(chǎn)品質(zhì)量進行評定。結(jié)合具體實例，從多個方面介紹了定量分析技術(shù)在機械裝備失效分析中的應(yīng)用。實踐經(jīng)驗表明：對斷裂源區(qū)的形狀、尺寸、微區(qū)硬度等進行定量分析，可查明失效產(chǎn)生的真正原因；對腐蝕產(chǎn)物的成分進行定量分析和元素的價態(tài)分析，可以幫助判斷腐蝕性介質(zhì)的來源、分析失效機理和有針對性地制定預(yù)防措施；定量分析技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量仲裁和產(chǎn)品質(zhì)量控制方面具有獨特的作用，在機械裝備的失效分析方面也具有非常重要的作用和地位。

機械裝備；失效分析；定量分析；質(zhì)量仲裁，質(zhì)量控制

機械裝備的失效原因較多，一般包括冶金因素及材質(zhì)、設(shè)計、冷加工、熱加工、環(huán)境因素、裝配與使用問題等[1]。這些失效原因中除“材質(zhì)”外，其他因素都可以用尺寸、角度、溫度、時間、壓力、速度、含量等參數(shù)進行定量表征，它們在設(shè)計圖紙、冷熱加工工藝、裝配工藝以及使用規(guī)程中都會有明確的規(guī)定，是產(chǎn)品正常使用的保障。在具體的失效分析中，這些數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)場勘查或事故調(diào)查過程中，通過觀看各種監(jiān)測錄像、過程控制記錄、工序檢驗記錄等技術(shù)資料獲得。機械裝備的實體是由各種材料組成的構(gòu)件，材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、各種性能、受力情況等都直接關(guān)系到構(gòu)件的服役狀況。機械裝備失效分析的對象是已經(jīng)失效的殘骸，分析手段除宏觀分析技術(shù)外，主要是對殘骸進行各種理化性能檢驗，還包括受力分析、斷口分析、金相分析等。理化性能檢驗主要包括化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗和各種物理性能的檢驗，它們都可以通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法實現(xiàn)定量化表征。師昌緒等[2]在斷口分析技術(shù)的定量表征方面開展了大量研究，并取得了一定的成果。對失效件表面涂層、鍍層、表面淬硬層、氧化脫碳層、滲碳層、氮化層等的成分組成、厚度、硬度等進行定量分析，或者對失效部位的硬度、表面粗糙度、尺寸、過渡圓角半徑等進行測定，再將分析或測定結(jié)果與技術(shù)要求進行對比，也是失效分析中經(jīng)常使用的方法之一。

產(chǎn)品在選材、設(shè)計、制造、裝配、使用等過程中均可進行定量控制，通過科學(xué)的管理，盡量排除各種人為干預(yù)和各種未知的影響因素，可保證各個環(huán)節(jié)的唯一性和可控性，實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)范化和規(guī)?；a(chǎn)，保正產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定如一或不斷改進提高；另外還可進行遠程操控，實現(xiàn)產(chǎn)品的跨國或跨區(qū)域生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各種分析儀器的精度和可靠性以及生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理水平不斷提高，定量化分析技術(shù)涵蓋的范圍也越來越寬。機械裝備從設(shè)計到失效的每一個環(huán)節(jié)都包含著定量化技術(shù)要求，定量分析技術(shù)不僅可以對產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣進行評定，還可以對產(chǎn)品的服役環(huán)境和受力情況等進行量化再現(xiàn)，定量分析技術(shù)在機械裝備的失效分析中具有越來越重要的作用和地位。為此，筆者結(jié)合具體實例，從多個方面介紹了定量分析技術(shù)在機械裝備失效分析中的應(yīng)用，以供參考。

1 化學(xué)成分定量分析技術(shù)

在材料的化學(xué)分析領(lǐng)域，不同的分析目的需要不同的分析方法來實現(xiàn)，各種分析方法對樣品的要求也不相同。20世紀50年代前，以精密分析天平和滴定管為主要儀器的重量分析和滴定分析方法解決了主成分和高含量組分的定量測定，這種分析方法一般對樣品的質(zhì)量有一定的要求。分光光度分析、發(fā)射光譜分析和極譜分析的發(fā)展使材料化學(xué)成分分析出現(xiàn)了微量組分分析和快速分析的新局面，這幾種分析方法比較適合具有一定尺寸的固體試樣。原子吸收光譜分析、感應(yīng)耦合等離子體光譜分析、質(zhì)譜分析、X射線熒光光譜分析及其他儀器分析方法推進了高純材料的痕量組分測定、微損或無損分析。紅外光譜和各類色譜分析的發(fā)展使材料的有機組分測定有了有力的手段，主要用于非金屬材料或復(fù)合材料的成分分析。熱分析使材料中熱不穩(wěn)定組分的測定成為可能。流動注射分析使化學(xué)分析在非平衡狀態(tài)下進行成為可能。輝光放電光譜/質(zhì)譜解決了由材料表面到內(nèi)部進行逐層分析的問題。在這些化學(xué)成分分析方法中有一些已經(jīng)有很長的使用歷史，并且已經(jīng)成為普及的常規(guī)分析手段。各種分析方法及其聯(lián)用以及多種方法的組合使用，現(xiàn)在已經(jīng)能成功滿足常量、微量、痕量組分的測定，疵痕、微損、無損分析，多元素同時或順序測定，成分分布分析，化學(xué)形態(tài)分析，快速分析等多種分析目的的需要。

化學(xué)成分分析在失效分析中的主要作用是確定產(chǎn)品材料是否符合所規(guī)定的牌號和等級，材料的化學(xué)成分不同，其性能特點不同，使用要求也不同。另外，對失效件表面的附著物進行化學(xué)成分分析也可以間接地了解失效件經(jīng)歷的環(huán)境；對材料中一些未知相進行成分分析還可以輔助分析其相組成，從而進一步分析它們與失效之間的關(guān)系；有時還要對一個區(qū)域或者某種元素的線分布、面分布等情況進行分析，還要對樣品表層進行無損化學(xué)成分分析，或者對細微的痕跡或殘留物進行成分分析等，具體分析時要根據(jù)分析的目的和樣品的實際情況選擇合適的分析方法。

一般企業(yè)都有自己的理化試驗室，化學(xué)成分分析是其最基本的分析內(nèi)容之一。當(dāng)出現(xiàn)失效事故時，當(dāng)事人第一反應(yīng)往往就是分析材料的化學(xué)成分，如果發(fā)現(xiàn)材料用錯了，就不需要再往下深究。實際檢測中發(fā)現(xiàn)機械裝備的失效是由于用錯材料的案例較少，主要有以下幾種情況。

1.1 設(shè)計選材不當(dāng)造成失效

一般情況下，設(shè)計選材時都會按照構(gòu)件的技術(shù)指標(biāo)和使用情況，根據(jù)設(shè)計手冊選取材料，重要的設(shè)計圖紙也要經(jīng)過審核、評審、批準(zhǔn)等環(huán)節(jié)，除非一些新產(chǎn)品開發(fā)或某些特殊情況才會出現(xiàn)設(shè)計選材不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。

1.2 以次充優(yōu)，以低價格材料替代高價格材料導(dǎo)致構(gòu)件早期失效

在處理一起由法院委托的司法鑒定中發(fā)現(xiàn)，由上海一家貿(mào)易公司供給大連一家鎂礦加工企業(yè)的壓鑄模具，外形尺寸為900 mm×900 mm×900 mm，質(zhì)量約6 t，總共8套，該模具使用次數(shù)不到100次(設(shè)計使用次數(shù)約5萬次)即發(fā)生開裂失效。經(jīng)調(diào)查，供需雙方技術(shù)約定的材料為H13模具鋼。實際化學(xué)成分分析結(jié)果顯示失效模具材料為45鋼，屬于普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼，不具備H13熱作模具鋼的特點，從而導(dǎo)致模具早期失效。按照2016年上半年市場價格計算，H13鋼相比45鋼每噸的價格要高出約5 000元，8套模具價格相差約24萬元，顯然這是一起受利益驅(qū)使、人為更換材料導(dǎo)致的早期失效案例。

304不銹鋼因其較低的碳含量和較高的鉻、鎳含量而具有較強的耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。另外，還有一種錳含量較高的2XX系列不銹鋼，由于該類不銹鋼用一部分價格較低的錳代替了價格較高的鎳，故產(chǎn)品價格較低，但其耐腐蝕性能不如304不銹鋼，容易受含有硫、氯元素介質(zhì)的腐蝕。在實際檢測工作中發(fā)現(xiàn)不銹鋼因化學(xué)成分不合格導(dǎo)致的失效案例較多，但化學(xué)成分不合格不一定就會導(dǎo)致失效。鎳、鉻等元素含量不合格會導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能下降，但失效形式也不一定都與腐蝕有關(guān)，許多與腐蝕有關(guān)的不銹鋼失效案例中材料的化學(xué)成分檢測結(jié)果都是合格的。這些都要結(jié)合構(gòu)件當(dāng)時的服役環(huán)境和受力特點進行具體分析，再根據(jù)各種檢測結(jié)果進行綜合判斷。

(1) 某地鐵站候車室屋頂梁用抱箍材料設(shè)計為304不銹鋼，該候車室于2006年竣工后開始服役，在2015年進行安全檢查時發(fā)現(xiàn)抱箍多處開裂，如圖1a)所示。抱箍的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，失效分析結(jié)果為應(yīng)力腐蝕開裂[3]。

(2) 2010年上海世博會期間，某電梯上的不銹鋼梯級軸在安裝使用不到1 a(年)就發(fā)生了斷裂，如圖1b)所示。斷裂的不銹鋼梯級軸設(shè)計材料為304不銹鋼，實際化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，失效分析結(jié)果為疲勞斷裂。

(3) 某公司生產(chǎn)的海洋貨輪船艙用NE097不銹鋼壓棒設(shè)計材料為304不銹鋼，單根長6 m，在艙蓋上焊接成18 m長，焊接后未進行任何處理，該壓棒在使用近1 a(年)時發(fā)現(xiàn)開裂，如圖1c)所示。經(jīng)調(diào)查，輪船服役中存在海水浸沒壓棒的現(xiàn)象。壓棒實際化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，失效分析結(jié)果為應(yīng)力腐蝕開裂。

(4) 3CRF011VC蝶閥用于某沿海核電站排水管線，服役環(huán)境為海水，溫度為室溫，管內(nèi)壓力為0.2 MPa。該蝶閥在安裝使用9～10個月時發(fā)現(xiàn)閥瓣斷裂，一部分連在閥體上，另一部分在下游的海水中被找到,如圖1d)所示。該閥瓣設(shè)計材料為304不銹鋼，實際化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，失效分析結(jié)果為晶間腐蝕斷裂。

分析以上4個失效案例，雖然其化學(xué)成分均不符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，但其失效的形式并不相同。抱箍、壓棒和閥瓣失效都與腐蝕有關(guān)，這與其服役的環(huán)境有關(guān)，它們都直接或間接地接觸了海水或海洋性環(huán)境氣氛，另外還與其受力狀態(tài)有關(guān)。電梯梯級軸斷裂部位在使用過程中一直有潤滑油膏覆蓋，不容易接觸到腐蝕性介質(zhì)。另外，該梯級軸服役過程中承受的是循環(huán)交變載荷，而其他3個構(gòu)件承受的是靜載荷，故而4個構(gòu)件的失效形式也各不相同。

圖1 部分304不銹鋼構(gòu)件失效宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of failure of several 304 stainless steel parts:a) roof hoop; b) elevator shaft; c) cargo compartment pressure bar; d) butterfly valve disc

表1 部分失效304不銹鋼構(gòu)件化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition analysis results of several 304 stainless steel failure parts (mass fraction) %

1.3 工藝不當(dāng)、冶煉質(zhì)量較差、組分混合不均勻?qū)е率?/p>

材料總體上各組分配比合適，但在較小的區(qū)域內(nèi)成分不符合要求，甚至存在夾料，形成局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致產(chǎn)品或構(gòu)件失效。

某TP321不銹鋼鋼錠重約5.6 t，鍛打成φ340 mm的圓鋼，在后續(xù)切割時發(fā)現(xiàn)中間有裂孔，20多支圓鋼中有10多支存在該情況。裂孔的低倍形貌見圖2a)，可見存在孔洞及裂紋缺陷，未見其他低倍缺陷。對鍛件取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2，可見所分析的元素含量均符合ASTM A276/A276M-17對TP321不銹鋼成分的技術(shù)要求。

圖2 TP321不銹鋼圓鋼缺陷形貌Fig.2 Defect morphology of a TP321 stainless steel round bar:a) macro morphology of the defect; b) micro morphology of the defect; c) un-melting matters distributing freely

表2 某TP321不銹鋼鍛件化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of a TP321 stainless steel forging (mass fraction) %

從缺陷位置切取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于掃描電子顯微鏡(SEM)內(nèi)觀察，可見裂紋附近存在聚集的灰色異物，進一步放大后觀察可見灰色異物呈小塊狀分布，其SEM形貌見圖2b)和圖2c)。采用EDAX能譜儀(EDS)對觀察到的灰色異物成分進行定性及半定量分析，結(jié)果顯示灰色異物中含有7.55%O和54.87%Cr(質(zhì)量分數(shù))，這與表2中的元素含量差別較大。說明該灰色異物為未完全熔化和充分混合的冶煉組分，其形成與較低的澆鑄溫度有關(guān)。最終的失效分析結(jié)果表明：鍛件內(nèi)部裂孔為鍛造之前就已存在的殘余縮孔缺陷。

1.4 管理不善、產(chǎn)生混料導(dǎo)致失效

該種情況往往在熱處理工序中就會發(fā)現(xiàn)，若將合金鋼誤認為碳鋼，往往會采用水淬火冷卻，很容易產(chǎn)生淬火開裂失效；若將碳鋼誤認為合金鋼，則往往會采用油淬火冷卻，會引起材料硬度、強度達不到要求。另外，混料也會導(dǎo)致熱處理工藝和實物不對應(yīng)，工件即便淬火時沒有開裂，也可能在后面的工序中開裂。

2 力學(xué)性能定量分析技術(shù)

材料常規(guī)力學(xué)性能包括硬度、拉伸、沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、疲勞、蠕變、斷裂韌度等，比較重要的結(jié)構(gòu)件在加工期間或總檢時都會進行相關(guān)檢驗，不合格時將會按不良品處理，因力學(xué)性能不合格導(dǎo)致的產(chǎn)品失效比較容易判斷，企業(yè)自己的試驗室就可以判定。實際檢測工作中也遇到少數(shù)失效案例與材料常規(guī)力學(xué)性能不合格有關(guān)。力學(xué)性能不合格往往表現(xiàn)在局部，是由于冷加工或熱加工工藝不當(dāng)或管理不善所造成，大概歸納如下。

(1) 熱處理工序安排不合理，淬透性較低的材料熱處理后機加工余量過大，造成熱處理有效硬化層被隨后的機械加工去除了，構(gòu)件工作面使用性能達不到設(shè)計要求，導(dǎo)致早期失效。

(2) 機加工工序安排不合理，原設(shè)計的有效的硬化層被加工掉了，導(dǎo)致構(gòu)件早期失效。

(3) 碳含量較高的構(gòu)件焊接工藝不當(dāng)，造成局部組織發(fā)生變化，產(chǎn)生高硬度顯微組織，形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致早期失效。

(4) 不銹鋼材料冷加工導(dǎo)致形變硬化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使構(gòu)件容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕失效。

(5) 磨削工藝不當(dāng)，導(dǎo)致構(gòu)件表層組織性能產(chǎn)生變化，發(fā)生磨削開裂失效。

(6) 熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致材料性能不符合規(guī)定，產(chǎn)生早期失效。

(7) 螺栓、螺釘?shù)染o固件表面增、脫碳，導(dǎo)致早期失效。

2.1 硬度不足導(dǎo)致異常磨損失效

上海軌道交通明珠線發(fā)展有限公司的AC03型列車在運行過程中，其閘瓦和車輪均發(fā)生了較為明顯的異常磨損現(xiàn)象[4]。從未使用過的新車輪踏面部位沿徑向切取試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后采用2.94 N(300 gf)試驗力進行顯微硬度梯度檢驗，結(jié)果見圖3，可見距表面5 mm范圍內(nèi)的顯微硬度基本一致，無明顯表面硬化特征。車輪踏面處的顯微組織與遠離踏面處的相同，均為珠光體+鐵素體，如圖3所示。由車輪化學(xué)成分分析結(jié)果可知，該車輪材料的合金元素含量都較低，與GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中60鋼的化學(xué)成分接近，該成分的鋼在淬火+回火狀態(tài)下的顯微組織應(yīng)為回火索氏體或回火馬氏體?？梢娷囕喬っ嫖恢玫娘@微組織不符合合同中約定的技術(shù)要求：車輪踏面顯微組織應(yīng)為淬火+回火組織。

圖3 車輪踏面表面硬度梯度曲線和顯微組織形貌Fig.3 Wheel tread surface hardness gradient curve and microstructure morphology

由表面硬度梯度檢驗和顯微分析結(jié)果可知，該車輪踏面表面不是淬火+回火狀態(tài)，其硬度較低、耐磨性較差，此為導(dǎo)致該車輪發(fā)生異常磨損的主要原因之一。

失效分析的主要工作是分析斷裂源部位的組織和性能，由于源區(qū)一般區(qū)域較小，不適合進行宏觀硬度檢驗或其他性能檢驗，在該種情況下，顯微硬度分析便會顯示出其獨特的優(yōu)勢。

2.2 有效硬化層被去除導(dǎo)致疲勞斷裂失效

在進行富氣離心壓縮機變速箱齒輪斷齒失效分析中發(fā)現(xiàn)[5]，大、小齒輪的根部在最終氮化處理后均進行了磨削處理，齒根部位存在明顯的磨削痕跡，見圖4a)。對齒根不同部位進行顯微硬度梯度檢驗，結(jié)果見表3，檢驗位置和壓痕形貌見圖4b)，可見齒根部中間位置的顯微硬度壓痕變化較大；靠近齒面的齒根處顯微硬度壓痕變化不大，按照GB/T 11354-2005《鋼件零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》的評定原則，該處滲氮層深度小于0.10 mm(技術(shù)要求為0.35～0.70 mm)。

一般情況下，零件表面氮化處理后將不再進行機械加工，除非加工后仍能滿足技術(shù)要求。該大、小齒輪齒根部位氮化處理后的磨削加工幾乎全部去除了原來的有效氮化層，不但降級了齒輪該處的硬度和疲勞強度，而且磨削加工還留下了一個較小的過渡圓角，增加了該部位的應(yīng)力集中，使該部位更容易萌生疲勞裂紋。兩者共同作用導(dǎo)致該大、小齒輪發(fā)生了早期疲勞斷裂失效。

表3 齒輪根部表面硬度梯度檢驗結(jié)果Tab.3 The surface hardness gradient test results of tooth root of the gear

圖4 齒輪斷面形貌和齒根部硬度梯度檢驗位置及壓痕形貌Fig.4 Fracture morphology, tooth root hardness gradient test locations and indentation morphology of the gear:a) fracture morphology; b) grinding mark and hardness indentation morphology

3 物理性能定量分析技術(shù)

在失效分析過程中，經(jīng)常要對樣品的一些物理性能參數(shù)進行定量分析和評定。物理性能定量分析的內(nèi)容較多，大致有：非金屬夾雜物含量評級，晶粒度評級，低倍缺陷評級，各種顯微組織評級，組成相含量評級，鑄鐵中的石墨、碳化物、磷共晶等的數(shù)量和形態(tài)評級，各種鍍層、涂層厚度及其顯微硬度檢測，密度、膨脹系數(shù)、淬透直徑測定，各種物相含量測定，表面粗糙度測定，過渡圓角半徑測量，硬度梯度測定，X射線衍射(XRD)物相分析，殘余奧氏體含量和殘余應(yīng)力測定等，都可以進行定量化分析。目前，斷口的定量分析技術(shù)已有很大的發(fā)展和很廣的應(yīng)用；另外定量金相分析的范圍也在不斷拓寬，分析的準(zhǔn)確性和可操作性也在不斷完善。

過渡圓角、倒角、尖角、螺紋根部、加工刀痕等尺寸過渡處往往是熱處理淬火裂紋的發(fā)源地，構(gòu)件在使用中也經(jīng)常會從這些位置產(chǎn)生疲勞斷裂或氫脆型斷裂。這些部位的定量分析不僅可以對產(chǎn)品的加工質(zhì)量進行評定，還有助于對失效原因的準(zhǔn)確判斷。

某風(fēng)力發(fā)電機組變槳軸承內(nèi)齒圈材料為42CrMo4V鋼，在使用約8個月時發(fā)生了斷裂。對斷裂件進行了切割和編號，見圖5a)。疲勞斷裂起源于齒根部的老裂紋區(qū)域，該區(qū)域表面存在明顯的加工刀痕，見圖5b)和圖5c)。對斷裂起源的齒根部位(含齒面)進行表面粗糙度測試，結(jié)果見圖6，所測試5處位置的表面粗糙度Ra平均值為10.1 μm，技術(shù)要求Ra≤6.3 μm?？梢姅嗔言次恢玫腞a超出了技術(shù)要求，從而導(dǎo)致該處形成應(yīng)力集中并萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生早期疲勞斷裂失效。

圖5 失效內(nèi)齒圈形貌和斷口形貌Fig.5 Morphology of the failure inner gear ring and the fracture:a) morphology of the inner gear ring and fracture location; b) surface morphology of the crack source region; c) fracture morphology

圖6 齒根部位表面粗糙度測試結(jié)果Fig.6 Measurement results of surface roughness of the tooth root

4 結(jié)構(gòu)受力分析技術(shù)

4.1 傳統(tǒng)力學(xué)計算分析

在對機械裝備構(gòu)件進行失效分析時，一般根據(jù)失效件的各種失效特征和理化檢驗結(jié)果可以得出構(gòu)件的失效模式和主要原因。若構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和承受的載荷比較明確時，則可以使用傳統(tǒng)的理論力學(xué)或材料力學(xué)知識，先對構(gòu)件進行受力分析，然后再進行一些力學(xué)計算，就可以知道構(gòu)件失效前的實際受力大小，從而從定量分析的層次上對失效原因的判斷進行佐證。

在進行一起過熱蒸汽管爆裂的失效分析時[6]，外觀檢查、金相分析、高溫瞬時力學(xué)性能試驗以及斷口分析結(jié)果均表明，該過熱蒸汽管爆裂與超溫有關(guān)，控溫系統(tǒng)發(fā)生故障是導(dǎo)致其發(fā)生爆裂的主要原因。為了驗證該結(jié)論，對過熱蒸汽管進行了簡單的力學(xué)計算。

因過熱蒸汽管軸向不受約束，可以認為管子長度不發(fā)生變化，此時管子在變形前后其橫截面積應(yīng)保持不變。已知管子變形前外徑為273 mm，壁厚為9 mm，設(shè)變形后管子外徑為D0，壁厚為ts，通過簡單推導(dǎo)有如下關(guān)系式

經(jīng)測量，管子爆破口處壁厚為1.5～4.0 mm，遠離爆破口處壁厚為8.5 mm，取爆破處平均壁厚5.0～5.5 mm進行估算，則按式(1)求得變形后管子外徑為486～442 mm。

管子設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[σ]t可根據(jù)下式計算

式中:p為設(shè)計壓力(管內(nèi)壓力)；Ej為焊接接頭系數(shù)；Y為系數(shù)。

已知管子在最后爆破時的壓力記錄為p=3.31 MPa，該部分管道為無縫鋼管，焊接接頭系數(shù)Ej=1.0，根據(jù)文獻[7]中表6.2.1查得系數(shù)Y=0.4，將上述數(shù)據(jù)代入式(2)求得爆裂時管壁實際許用應(yīng)力[σ]t為132～160 MPa。根據(jù)實際測試結(jié)果，705 ℃時管子瞬時強度Rm=145 MPa，該強度已與管子當(dāng)時的許用應(yīng)力水平相當(dāng)，從而佐證了管子是由于超溫而發(fā)生爆裂的。

4.2 數(shù)字模擬計算分析

當(dāng)失效件在服役過程中承受的載荷主要為內(nèi)應(yīng)力，或者是一個不斷變化的應(yīng)力時，這時采用傳統(tǒng)的力學(xué)計算就顯得非常繁瑣，甚至根本無法實現(xiàn)。但通過對失效件進行建模和網(wǎng)格劃分，再利用各種專業(yè)的數(shù)字模擬軟件進行計算，可得到構(gòu)件在不同條件下的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力等變化及分布情況，這對于失效原因的分析判斷具有很好的輔助作用。

某核電站常規(guī)島疏水閥蒸汽管線出現(xiàn)多處泄漏失效，泄漏發(fā)生于不同的管線，出現(xiàn)泄漏的時間長短不一。泄漏位置有彎管部位、直管部位、焊縫和直管交界處、焊縫和彎管交界處，也有焊縫區(qū)域?？梢娫撜羝芫€的開裂泄漏具有普遍性和隨機性。在失效分析過程中，在靠近焊縫彎管內(nèi)表面的氣蝕坑中也發(fā)現(xiàn)了裂紋。最后的失效分析結(jié)果表明：①蒸汽管線材料質(zhì)量符合技術(shù)要求；②管線因裂紋穿透了管壁厚而發(fā)生泄漏，其開裂性質(zhì)相同，均為腐蝕疲勞開裂；③管線發(fā)生腐蝕疲勞開裂的主要原因與焊接質(zhì)量有關(guān)。焊接下塌過高會形成應(yīng)力集中誘發(fā)裂紋，流體經(jīng)過焊接下塌時也會在其附近形成負壓區(qū)導(dǎo)致空泡腐蝕；空泡腐蝕產(chǎn)生的凹坑成為應(yīng)力集中點，誘發(fā)疲勞裂紋；空泡爆破時產(chǎn)生的巨大沖擊應(yīng)力會造成管線振動，引發(fā)腐蝕疲勞開裂；先產(chǎn)生空泡腐蝕的焊縫區(qū)域先萌生疲勞裂紋，產(chǎn)生穿透型疲勞開裂導(dǎo)致泄漏，未產(chǎn)生空泡腐蝕的區(qū)域會在應(yīng)力集中明顯的焊接下塌和母材交界處，或應(yīng)力集中明顯的腐蝕坑處萌生疲勞裂紋，因管線的振動而發(fā)生腐蝕疲勞開裂。

為了驗證該分析結(jié)論，對管線彎管部位進行了有限元數(shù)字模擬，并按照氣液兩相的狀態(tài)進行計算，結(jié)果見圖7，可見焊接下塌和彎管內(nèi)側(cè)的內(nèi)表面區(qū)域均存在明顯的負壓特征，這是管線中產(chǎn)生空泡腐蝕的前提。有限元數(shù)字模擬結(jié)果與實際檢測結(jié)果相一致，從而有效地佐證了分析結(jié)論。

5 應(yīng)用舉例

材料為BFe30-1-1、規(guī)格為φ16 mm×1.25 mm的白銅管用于某潛水艇的換熱器。該換熱器大約服役13 a(年)時出現(xiàn)泄漏事故。經(jīng)調(diào)查，該換熱器的換熱管內(nèi)部通海水，外部為63 ℃的汽輪機水蒸氣(真空狀態(tài))，管內(nèi)添加有少量亞硫酸鈉和磷酸鹽以降低水中的氧含量。換熱器的使用具有間隔性，基本上為使用半個月然后停放半個月，有時停用時間可達到1～2個月，設(shè)備加工好后未對銅管進行鈍化處理。

5.1 金相分析(點蝕坑深度測量)

宏觀分析結(jié)果表明，銅管外壁存在點蝕坑和均勻腐蝕現(xiàn)象，見圖8a)和圖8b)。為了觀察點腐蝕坑的深度，對腐蝕區(qū)域切取剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后在金相顯微鏡下觀察，可見管外壁存在明顯的點腐蝕坑，點腐蝕坑深度經(jīng)測量為0.04 mm，見圖8c)。

圖7 彎頭部位有限元分析的應(yīng)力分布云圖Fig.7 The stress distribution nephogram of the elbow obtained by finite element analysis:a) with welding collapse; b) without welding collapse

5.2 化學(xué)成分分析(化學(xué)成分的定量分析)

銅管基體的化學(xué)成分分析結(jié)果見表4，所分析的元素含量均符合GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分》對BFe301-1-1銅合金的技術(shù)要求。

5.3 能譜分析(腐蝕產(chǎn)物的定性和半定量分析)

對剖面金相試樣點腐蝕坑中的沉積物進行能譜分析，結(jié)果顯示其含有較多的腐蝕性元素氧和硫，兩種元素的含量(質(zhì)量分數(shù))分別為18.68%和4.26%，見圖9。

圖8 泄漏銅管腐蝕形貌Fig.8 Corrosion morphology of the leakage copper pipe:a) macro morphology; b) pitting morphology on outer surface; c) sectional morphology of the pitting pit

圖9 能譜分析區(qū)域和結(jié)果Fig.9 Energy spectrum a) analysis region and b) analysis results

表4 泄漏銅管化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.4 Chemiacal composition analysis results of the leakage copper pipe (mass fraction) %

5.4 X射線衍射分析(腐蝕產(chǎn)物的定性分析)

刮取銅管上的腐蝕產(chǎn)物，使用X射線衍射儀(XRD)對其物相組成進行分析，結(jié)果見圖10，可見其主要組分為Cu2O，F(xiàn)eO，CuNi，C等。XRD分析對樣品的數(shù)量或厚度有要求，樣品太少或太薄時將無法進行準(zhǔn)確分析。由于從該銅管表面刮下的粉狀樣品數(shù)量較少，無法滿足XRD分析對樣品數(shù)量的要求，因此一些含量較低的組分檢測不出來，只能分析其主要成分。根據(jù)宏觀檢查時觀察到的腐蝕產(chǎn)物顏色和能譜分析結(jié)果進行推斷，該銅管表面的沉積物中可能還含有CuSO4，Cu2(OH)2CO3，F(xiàn)e2O3等組分。

5.5 X射線光電子能譜分析(元素的價態(tài)分析)

為了查明EDS分析出的硫元素來源于何種物質(zhì)，采用X射線光電子能譜儀(XPS)對硫元素的價態(tài)進行了分析，結(jié)果見圖11，分析顯示存在S4+，其含量(原子分數(shù))為0.56%。可見銅管表面腐蝕產(chǎn)物中的硫元素應(yīng)來源于亞硫酸鹽類物質(zhì)。

圖10 腐蝕產(chǎn)物的XRD譜Fig.10 XRD pattern of the corrosion products

圖11 腐蝕產(chǎn)物的XPS譜和價態(tài)分析結(jié)果Fig.11 XPS spectrum and valence state analysis results of the corrosion products:a) XPS spectrum; b) valence state analysis results

5.6 綜合分析

在銅管制造過程中，若采取了拉拔工藝，會有一部分潤滑劑殘留在銅管表面，在隨后的熱處理(工序間退火)過程中因受到高溫而形成游離碳(或稱殘留碳)，并在銅管表面某些區(qū)域富集，在某些特殊性環(huán)境中容易形成電化學(xué)腐蝕。殘留碳會惡化BFe30-1-1銅合金的耐腐蝕性能，但銅管表面的殘留碳并非產(chǎn)生點蝕的充分條件。銅的點蝕存在一個臨界電位，碳膜的作用是使銅的臨界腐蝕電位升高，當(dāng)實際電位高于銅管臨界腐蝕電位時便會導(dǎo)致點蝕，硫元素的存在會加劇銅管的腐蝕。

6 小結(jié)

現(xiàn)代材料科學(xué)在很大程度上依賴于對材料性能與其成分及顯微組織關(guān)系的理解。對材料性能的各種測試技術(shù)、對材料組織從宏觀到微觀不同層次的表征技術(shù)構(gòu)成了材料科學(xué)與工程的一個不可或缺的重要組成部分。定量分析技術(shù)可以用一個量值表征檢測結(jié)果,對于傳統(tǒng)的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、各種物理性能檢測、結(jié)構(gòu)受力分析等都可進行定量化檢測與分析。如果對檢測機構(gòu)涉及的人員、設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、環(huán)境、試驗方法等作統(tǒng)一規(guī)定，對同一樣品的定量檢測結(jié)果將無限接近真實值。關(guān)于定量分析技術(shù)在斷口分析和金相分析方面的應(yīng)用，國內(nèi)外近年來開展了較多的研究，并取得了一定的成果，現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)都把定量分析作為一個發(fā)展方向而逐漸取代了以往的定性分析。定量分析技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量仲裁和產(chǎn)品質(zhì)量控制方面具有獨特的作用，在機械裝備的失效分析方面也具有非常重要的作用和地位。

(未完待續(xù))

[1] 王榮.失效分析在司法鑒定中的應(yīng)用[J].金屬熱處理,2015,40(z1):447-450.

[2] 師昌緒,鐘群鵬,李成功.中國材料工程大典 第1卷: 材料工程基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3] 楊星紅,王榮.不銹鋼真空塔開裂失效分析[J].金屬熱處理,2015,40(z1):106-109.

[4] 王榮.機械裝備的失效分析(續(xù)前) 第2講 宏觀分析技術(shù)[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(8):534-541.

[5] 王榮.機械裝備的失效分析(續(xù)前) 第3講 斷口分析技術(shù)(上)[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(10):698-704.

[6] 王榮,李晉,楊力.蒸汽管爆裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2008,44(2):90-93.

[7] GB 50316-2000(2008版) 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[S].

Failure Analysis on Mechanical Equipments(Continued) Lecture 5 Quantitative Analysis Technique

WANG Rong1,2

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Materials Application and Evaluation,Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Means such as traditional chemical composition analysis, mechanical property test, various physical property tests and structural stress analysis were often used in the failure analysis of mechanical equipments, and they could basically be quantified and the test results could be characterized by a value. So the test results could be compared with the technical requirements to evaluate the quality of the products. The practical experience shows that the quantitative analysis of the shape, size and hardness of the fracture source region could help find out the real failure causes, and quantitative analysis of compositions of the corrosion products and valence state analysis of elements could help judge the source of the corrosive medium, analyze the failure mechanism and give out the preventive measures. Quantitative analysis technology has a unique role in product quality arbitration and product quality control, and it also plays a very important role in the failure analysis of mechanical equipments.

mechanical equipment; failure analysis; quantitative analysis; quality arbitration; quality control

10.11973/lhjy-wl201706009

2017-02-14

上海市金屬材料檢測分析與安全評估專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺資助項目(16DZ2290800)

王 榮(1967-)，男，教授級高工，主要從事機械裝備的失效分析與安全評估工作與研究，wangrong1967@126.com

TG115.22; TB30

A

1001-4012(2017)06-0413-09