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第1篇 失效分析的基本方法 2

1 原始情况的调查和收集 2

2 失效样品及对比分析样品的检查与分析 3

2.1 外观检查和宏观分析 3

2.2 表面质量检查 3

2.3 化学成分分析 3

2.3.1 化学分析 3

2.3.2 能谱分析 3

2.3.3 波谱分析 5

2.3.4 俄歇电子能谱分析 5

2.3.5 离子探针显微分析 5

2.4 金相检查 5

2.4.1 金相低倍检查 5

2.4.2 金相高倍检查 6

2.4.3 金相试样的制备 6

2.4.4 覆膜金相技术 6

2.5 力学性能测定 7

2.6 表面应力测定 7

2.7 金属X射线相结构分析 7

2.8 断口分析 8

2.8.1 断口宏观分析 8

2.8.2 断口微观分析 8

2.8.3 断口的制备 8

2.8.3.1 零件表面裂纹断口的制备 9

2.8.3.2 大型压力容器壳体表面裂纹断口的制备 9

2.8.3.3 内部宏观裂纹断口的制备 9

2.8.3.4 轴类棒状零件内部裂纹缺陷断口的制备 9

［案例2-1］汽车半轴心部缺陷成因分析 9

2.8.3.5 深埋细微裂纹断口的制备 12

［案例2-2］FCB法焊缝焊接缺陷性质及其成因分析 13

2.8.4 断口的清洗与保护 16

2.8.5 断口金相试验技术 17

2.8.5.l 断口金相技术 17

2.8.5.2 控制腐蚀法 17

2.8.5.3 保护腐蚀法 17

2.8.6 断口蚀坑技术 18

2.9 无损探伤检查 19

2.9.1 磁粉探伤 19

2.9.2 渗透探伤 19

2.9.3 超声波探伤 19

2.9.4 射线探伤 19

2.9.5 涡流探伤 20

3 结果分析、讨论和结论 21

4 失效分析的特点及应遵循的原则 22

第2篇 机械装备失效方式及基本原理 26

5 磨损失效的主要方式及基本原理 26

5.1 磨损的主要形式 26

5.1.1 黏着磨损 26

5.1.2 磨料磨损 26

5.1.3 疲劳磨损 27

5.1.4 腐蚀磨损 27

5.1.5 复合磨损 27

5.1.6 冲蚀磨损 27

5.2 磨损机制 28

5.2.1 磨损的“犁沟”理论 28

5.2.2 疲劳磨损理论 29

5.2.3 磨损的黏附理论 30

［案例5-1］动力机车托架轴承外圈断裂原因分析 30

［案例5-2］ZB16型液压泵柱塞头失效分析 38

［案例5-3］350 MW发电机组主蒸汽管滤网破裂原因分析 45

［案例5-4］600 MW发电机组主轴轴头槽沟成因分析 51

［案例5-5］汽封弹簧失效原因分析 57

［案例5-6］催化再生器内、外取热器取热管泄漏原因分析 59

6 腐蚀失效的主要方式及基本原理 63

6.1 应力腐蚀失效 63

6.1.1 OH—应力腐蚀失效（苛性应力腐蚀失效） 65

［案例6-1］废热锅炉膨胀节开裂原因分析 65

6.1.2 Cl—应力腐蚀失效 68

［案例6-2］WWLA-4-16立式容积式换热器壳体泄漏原因分析 68

［案例6-3］橡胶装置膨胀机筒体螺栓断裂原因分析 72

［案例6-4］耐热压力表弹簧管开裂原因分析 76

［案例6-5］SUS304L-TB-AC换热管断裂原因分析 79

［案例6-6］W303换热器换热管破裂原因分析 81

6.1.3 硝酸根应力腐蚀失效 84

［案例6-7］催化再生器及其辅助设备开裂原因分析 84

6.1.4 硫化物应力腐蚀失效 98

［案例6-8］OCrl3硫磺冷却器热交换管开裂原因分析 98

6.2 小孔腐蚀失效 101

6.2.1 活性阴离子引起的孔蚀 101

［案例6-9］锅炉水冷壁管内表面局部腐蚀原因分析 102

［案例6-10］1Crl8Ni9Ti不锈钢储酒罐泄漏原因分析 105

［案例6-11］环乙烷酸水分离器筒体严重腐蚀原因分析 109

6.2.2 氧引起的孔蚀 113

［案例6-12］锅炉中温再热器炉管泄漏原因分析 114

［案例6-13］锅炉烟管泄漏原因分析 116

6.3 晶间腐蚀失效 118

6.4 腐蚀疲劳失效 119

6.5 空泡腐蚀失效（气蚀） 119

［案例6-14］采油管接头外表面破损原因分析 119

6.6 缝隙腐蚀失效 120

6.7 高温氢腐蚀失效 121

［案例6-15］锅炉水冷壁管爆裂原因分析 121

［案例6-16］锅炉水冷壁管泄漏原因分析 127

6.8 奥氏体不锈钢敏化引起的腐蚀失效 130

［案例6-17］焊接三通管接头发黑原因分析 130

6.9 严重超温、渗碳引起的腐蚀失效 134

［案例6-18］裂解炉管内表面严重腐蚀原因分析 134

7 断裂失效的主要方式及基本原理 139

7.1 断裂失效的几种主要形式 139

7.1.1 冲击断裂失效 139

［案例7-1］塔带机内臂吊耳断裂原因分析 139

［案例7-2］液压油缸爆裂原因分析 144

7.1.2 拉伸断裂失效 150

7.1.2.1 单向拉伸断裂失效 150

7.1.2.2 蒸汽爆炸断裂失效 150

［案例7-3］重油催化外取热器爆裂原因分析 151

［案例7-4］内、外压平衡波纹补偿器断裂原因分析 159

［案例7-5］乙烯B罐爆炸原因分析 161

7.1.2.3 压力容器过压爆裂失效 166

［案例7-6］注塑机液压系统蓄能器爆裂原因分析 166

7.1.3 剪切断裂失效 170

［案例7-7］5815汽车转向器摇臂轴断裂原因分析 171

［案例7-8］锅炉高温再热器吊杆螺栓断裂原因分析 175

7.1.4 疲劳断裂失效 179

7.1.4.1 一般机械疲劳断裂 182

［案例7-9］催化剂分子筛焙烧炉开裂原因分析 182

［案例7-10］汽轮机高低压缸联轴器对轮连接螺栓断裂原因分析 188

［案例7-11］蓄能器壳体开裂原因分析 193

［案例7-12］电机弹性轴断裂原因分析 196

［案例7-13］后屏过热器TP347H与12CrlMoV焊接接头早期失效原因分析 200

7.1.4.2 热疲劳断裂 218

［案例7-14］ WNS7燃气热水锅炉炉管管端径向裂纹成因分析 218

［案例7-15］ SPW-300-N锅炉管板管端焊缝开裂原因分析 220

7.1.4.3 腐蚀疲劳断裂 223

［案例7-16］ 190型柴油发动机排气阀阀盘断裂原因分析 223

［案例7-17］ 乙二醇装置C-204塔分配器开裂原因分析 229

7.1.4.4 接触疲劳失效 235

［案例7-18］ 航空发动机高温轴承滚珠失效原因分析 235

7.1.5 高温蠕变断裂失效 236

［案例7-19］ B801锅炉Ⅱ级过热器爆管原因分析 237

［案例7-20］ 12Cr18Ni12Ti高温过热器管爆裂原因分析 249

［案例7-21］ 12Cr1MoV主蒸汽管道开裂原因分析 258

7.1.6 高温持久断裂失效 262

［案例7-22］ 乙烯裂解炉联箱开裂原因分析 262

7.1.7 金属脆化断裂失效 276

7.1.7.1 钢中酸溶铝含量过低引起的金属脆化 276

［案例7-23］ A350-LF2法兰盘开裂原因分析 276

［案例7-24］ 25mm厚Q235钢板冷变形开裂原因分析 282

7.1.7.2 微量元素在晶界偏聚引起的金属脆化 284

［案例7-25］ 锅炉高温再热器炉管开裂原因分析 284

［案例7-26］ 集装箱下底盘边框钢管开裂原因分析 293

7.1.7.3 原子氢浸人引起的金属脆化 297

［案例7-27］ 65Mn弹簧钢丝断裂原因分析 297

7.1.7.4 组织转变（脆性显微组织）引起的金属脆化 299

［案例7-28］ 加氢换热器15CrMoR壳体钢板开裂原因分析 299

［案例7-29］ OCrl8NilOTi钢管表面缺陷成因分析 305

7.1.7.5 钢中气体含量控制不当引起的金属脆化 310

［案例7-30］ 60Si2Mn弹簧扁钢崩料原因分析 310

7.1.7.6 晶界网状碳化物析出引起的金属脆化 315

［案例7-31］ 21-4N气门阀杆矫直断裂原因分析 315

7.1.8 氢致延迟断裂 320

［案例7-32］ 热等静压缠绕钢丝断裂原因分析 322

［案例7-33］ 石油液化气储罐内表面鼓包成因分析 327

［案例7-34］ 汽车扭杆弹簧断裂原因分析 334

［案例7-35］ 缓冲器中心楔块断裂原因分析 337

［案例7-36］ 螺纹钢筋冷弯断裂原因分析 339

［案例7-37］ 齿轮轴断裂原因分析 343

［案例7-38］ 农用汽车转向器摇臂轴断裂原因分析 347

［案例7-39］ 铁轨扣簧断裂原因分析 352

［案例7-40］ M30mm×2mm×470mm螺栓断裂原因分析 362

7.1.9 焊接裂纹 365

7.1.10 热处理裂纹 366

7.1.11 摩擦、磨削裂纹 366

7.1.12 应力腐蚀断裂失效 366

7.2 断裂机制 366

7.2.1 微孔聚集断裂 366

7.2.2 纯切变断裂 369

7.2.3 解理断裂 370

7.2.4 准解理断裂 373

7.2.5 沿晶断裂 374

8 变形失效 376

第3篇 机械装备失效原因分析 378

9 冶金缺陷引起的失效 378

9.1 缩孔 378

［案例9-1］ 37Mn高压气瓶瓶底内表面裂纹成因分析 378

［案例9-2］ 65式82无杀伤榴弹弹体开裂原因分析 381

9.2 疏松 385

［案例9-3］ 30CrMo高压气瓶瓶底内表面沟槽成因分析 385

［案例9-4］ 7/8GCr15冷镦钢球材质鉴定 387

9.3 钢中非金属夹杂物 389

［案例9-5］ 液化石油气球形储罐表面鼓包成因分析 389

9.4 夹渣 389

［案例9-6］ 锅炉水冷壁管泄漏原因分析 389

［案例9-7］ 右阀筒加工表面缺陷成因分析 396

［案例9-8］ 高压分离循环冷却器换热管爆裂原因分析 398

［案例9-9］ 锅炉外置床高温再热器管泄漏原因分析 403

9.5 成分偏析 408

［案例9-10］ 型钢混凝土中型钢腹板分层缺陷原因分析 408

［案例9-11］ 炼钢工程吊车梁钢板分层缺陷原因分析 412

10 焊接缺陷引起的失效 417

10.1 热裂纹 417

10.1.1 凝固裂纹 417

［案例10-1］ 汽轮机末级叶片断裂原因分析 418

［案例10-2］ Co-Cr-Mo铸造合金人工关节断裂原因分析 422

［案例10-3］ 铁水浇包主轴断裂原因分析 426

10.1.2 液化裂纹 429

10.1.3 低延性裂纹 429

10.2 冷裂纹（低温裂纹） 431

10.2.1 氢致延迟裂纹 431

［案例10-4］ 储氧球罐焊缝熔合线裂纹成因分析 431

［案例10-5］ 锅炉大板梁下翼板断裂原因分析 432

10.2.2 层状裂纹 439

10.2.3 淬火裂纹（马氏体相变裂纹） 439

10.3 去应力再热裂纹（应力释放裂纹） 439

10.4 非金属夹杂 440

［案例10-6］ 供暖水管泄漏原因分析 440

10.5 异金属夹杂 447

［案例10-7］ 发动机壳体压力表管座焊缝开裂原因分析 447

10.6 夹渣 458

10.7 缩孔 458

10.8 气孔 459

［案例10-8］ 某电厂RPV接管安全端焊缝见证件性能不合格原因分析 459

10.9 未焊透 464

10.10 未熔合 464

［案例10-9］ 混凝土搅拌车搅拌罐罐体开裂原因分析 464

11 铸造缺陷引起的失效 470

［案例11-1］ 乙烯裂解炉炉管破裂原因分析 470

［案例11-2］ 高压开关分闸断裂原因分析 473

12 热加工缺陷引起的失效 477

［案例12-1］ 囊式蓄能器爆裂原因分析 477

［案例12-2］ 柴油发动机高压油管泄漏原因分析 483

［案例12-3］ 汽车轮辋压圈凸缘开裂原因分析 487

［案例12-4］ 230次列车YW67200热轴甩车原因分析 491

［案例12-5］ OCr13Ni4Mo马氏体不锈钢热轧钢坯表面开裂及内部孔洞成因分析 494

13 冷加工缺陷引起的失效 502

［案例13-1］ 2400kw柴油发动机气门弹簧断裂原因分析 502

［案例13-2］ 65Mn冷轧钢带表面缺陷成因分析 507

［案例13-3］ 汽车发动机连杆螺栓断裂原因分析 515

14 热处理缺陷引起的失效 515

［案例14-1］ 65CrNi长钳等钳柄开裂原因分析 515

［案例14-2］ 50CrV活动扳手开裂原因分析 518

［案例14-3］ 秸秆粉碎机传动轴断裂原因分析 520

［案例14-4］ 氮氢气压缩机连杆螺栓断裂原因分析 526

［案例14-5］ 左扭杆调整臂总成齿套裂纹成因分析 530

15 电加工缺陷引起的失效 533

［案例15-1］ 氢氧发动机氢涡轮转子叶片断裂原因分析 533

16 车、刨、铣、磨等机械加工缺陷引起的失效 540

［案例16-1］ 6Cr21MnllMo1VINblN汽车发动机排气门盘端面缺陷原因分析 540

［案例16-2］ 蜗杆齿部表面裂纹成因分析 543

［案例16-3］ 客运汽车转向臂断裂原因分析 549

［案例16-4］ TH85-2烟气轮机转子拉紧螺栓断裂原因分析 553

［案例16-5］ 气动调速给水泵泵轴断裂原因分析 562

［案例16-6］ 传动装置主轴断裂原因分析 566

17 制造加工缺陷引起的失效 576

［案例17-1］ SAE9254弹簧钢丝断裂原因分析 576

［案例17-2］ 滑轮补偿装置用钢丝绳断裂原因分析 579

18 机械划痕、机械压痕、机械碰伤引起的失效 583

［案例18-1］ AV80-14轴流压缩机叶片断裂原因分析 583

［案例18-2］ 运载电梯扶手传送链条断裂原因分析 586

［案例18-3］ 鼓风机叶片断裂原因分析 588

19 操作失误导致的失效 592

［案例19-1］ 乙烯裂解炉炉管断裂原因分析 592

［案例19-2］ 乙烯储罐爆炸原因分析 600

20 设计不合理造成的失效 602

［案例20-1］ 传动装置主传动轴断裂原因分析 602

［案例20-2］ 催化再生器及其辅助设备开裂原因分析 608

21 选材不正确引起的失效 609

［案例21-1］ 汽车活塞销及活塞破损原因分析 609

22 装配不当引起的失效 615

［案例22-1］ 发电机组给水泵轴断裂原因分析 615

［案例22-2］ 高压聚乙烯装置PV-210T脉冲阀螺栓断裂原因分析 623

23 运输过程引起的失效 630

［案例23-1］ 蒸汽发生器传热管裂纹成因分析 630

24 不可抗拒的自然力引起的失效 632

［案例24-1］ 塔式起重机Q345B钢支架断裂原因分析 632

25 介质环境、温度、应力等因素引起的失效 638

25.1 电镀、过酸洗引起的失效 638

25.2 温度因素引起的失效 638

25.3 应力因素引起的失效 638

25.4 环境介质因素引起的失效 638

25.5 应力和环境介质共同作用引起的失效 638

25.6 应力和环境温度共同作用引起的失效 639

25.7 高温和环境介质共同作用引起的失效 639

25.8 组织因素引起的失效 639

25.9 金属脆化引起的失效 639

附录 640

附表1 失效分析案例按零部件或结构件类别分类一览表 640

附表2 失效分析案例按零部件或结构件钢类分类一览表 644

参考文献 647

名词术语 649