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渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。
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为了使koyo轴承零件淬回火后表面残留较大的压应力，可在淬火加热时通入渗碳或渗氮的气氛，进行短时间的表面渗碳或渗氮。由于这种钢淬火加热时奥氏体实际含碳量不高，远低于相图上示出的平衡浓度，因此可以吸碳（或氮）。当奥氏体含有较高的碳或氮后，其Ms降低，淬火时表层较内层和心部后发生马氏体转变，产生了较大的残留压应力。GCrl5钢以渗碳气氛和非渗碳气氛加热淬火(均经低温回火)处理后,经接触疲劳试验可以看出，表面渗碳的寿命比未渗碳的提高了1.5倍。其原因就是渗碳的零件表面具有较大的残留压应力。 1，金属表面光洁度（氧浓度差电池腐蚀）。 2，金属材料本身化学成分和结构。 3，与金属表面接触的溶液成分及pH值。 4，环境温度和湿度。 5，与金属表面相接触的各种环境介质。 6，另外人的汗液也是引发koyo轴承腐蚀的原因，它的pH值为5 ~ 6 。所以为了防止手汗引起锈蚀，安装和生产人员应带上手套，不要随便用手接触轴承。
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不锈钢渗碳的危害
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主要危害是使不锈钢耐腐蚀性减弱，主要表现在C含量增加，使不锈钢内部的Cr与碳形成晶间物的几率增加，尤其是在高温的状况下（比如焊接等。。。），结果就是使不锈钢局部产生贫Cr，则耐腐蚀性能下降。
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腐蚀后的金相中铁素体和渗碳体如何区分?
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要做到很好的区分,还要看相应的热处理工艺,比如说一般热轧钢,基本就是铁素体与珠光体组织,当然可以在珠光体组织中找到条状的渗碳体. 对于淬火后的,铁素体一般以脱碳的形式存在,所以一般在零件的表面,或者是先共析铁素体,一般为针状.而渗碳体则可能夹杂在马氏体组织中.偶尔也可在表面发现,但都比较小. 单从金相的角度上讲,显微镜下铁素体边角一般比较圆润,而渗碳体多有些菱角.
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腐蚀与损伤（教案）（锅炉、压力容器、压力管道） 第 1 页 共 23 页腐蚀与损伤（教 案）2006 年 9 月第 2 页 共 23 页主要内容第一部分 金属材料的腐蚀一 金属腐蚀及种类二 腐蚀的危害性三 全面腐蚀四 局部腐蚀1. 点蚀2. 缝隙腐蚀3. 磨损腐蚀4. 涂层破损处的局部大气锈蚀五 晶间腐蚀六 应力腐蚀开裂1. 碱脆2. 不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂3. 湿硫化氢应力腐蚀破裂（SSCC）4. 其它常见应力腐蚀破裂体系七 腐蚀疲劳八 氢损伤1. 氢鼓包2. 氢脆3. 脱碳4. 氢腐蚀九 腐蚀防护第二部分 金属材料的损伤与失效一、金属材料的损伤1.疲劳损伤2.介质损伤3.热损伤4.交互损伤二、失效与失效分析1.失效的概念2.失效分析的意义3.失效分析的基本思路4.破坏种类及特征5.韧性破坏6.脆性破坏7.腐蚀破坏8.疲劳破坏9.蠕变破坏10.复合破坏11.失效分析的主要手段12.断口保护第 3 页 共 23 页第一部分 金属材料的腐蚀操作介质或环境对锅炉压力容器压力管道的腐蚀普遍存在，对锅炉压力容器压力管道的安全运行构成威胁。因此研究腐蚀对指导锅炉压力容器压力管道的管理、检验及安全监察均具有重要意义。腐蚀检验是锅炉压力容器压力管道定期检验中的主要内容之一。本节介绍金属腐蚀的分类、几种危害较大的腐蚀形式以及腐蚀的防护或避免措施等。一、 金属腐蚀及种类金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化，从而使金属材料遭受破坏的现象称为腐蚀。如铁生锈、铜发绿锈、铝生白斑点等。金属的腐蚀按照机理（或原理）可分为化学腐蚀与电化学腐蚀两类。化学腐蚀：化学腐蚀是金属表面与环境介质发生化学作用而产生的损坏，它的特点是腐蚀在金属的表面上，腐蚀过程中有电子得失但没有电流的产生。金属的高温氧化及脱碳就属于化学腐蚀，高温高压临氢环境中金属的氢腐蚀也属于化学腐蚀。电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用所发生的腐蚀称电化学腐蚀。它的特点是在腐蚀过程中有电流产生。锅炉压力容器压力管道的应力腐蚀、晶间腐蚀均属于电化学腐蚀。金属的电化学腐蚀必须存在电解质、被腐蚀区域（电位低，为阳极）与其他区域（电位高，为阴极）存在电位差。阳极金属失去电子成为金属离子，从而造成腐蚀。其它分类方法：按照温度分：低温腐蚀和高温腐蚀。按照环境分：化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀等。按照金属破坏的形式可分为10类，分别为全面腐蚀、电偶腐蚀、孔蚀(点蚀)、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、氢损伤。这种方法比较直观，使用场合广泛。第 4 页 共 23 页二、 腐蚀的危害性腐蚀会使管道整体或局部壁厚减薄，承载能力下降、造成破裂。腐蚀会造成危害性极大的裂纹，造成管道的裂穿泄漏、严重时会造成突然破裂或爆炸。三、 全面腐蚀全面腐蚀也叫均匀腐蚀，这是在较大面积上产生的程度基本相同的腐蚀，如管道内壁表面遭受介质的全面腐蚀，外壁裸露表面(或有涂料但已全面失效)遭受的大气锈蚀等。遭受全面腐蚀的管道，壁厚逐渐减薄，最后破坏。从工程的角度看，全面腐蚀并不是威胁很大的腐蚀形态，因为设计时可考虑足够的腐蚀裕度。但应注意的是，在管道使用过程中，腐蚀速度往往因环境恶化(如超温、加进腐蚀性成份等)而加剧，因此定期检验对全面腐蚀的检查是十分必要的，通过定点测厚，掌握壁厚减薄的情况。但是定期检验工作不力、壁厚腐蚀减薄而发生事故的事例屡见不鲜。四、 局部腐蚀（点蚀、缝隙腐蚀、磨损腐蚀）1. 点蚀集中在金属表面个别小位置上的深度较大的腐蚀称为点蚀，也叫孔蚀。大多数情况下，蚀孔是比较小的。蚀孔之间有时互相孤立，有时十分靠近，密集在一起。蚀孔直径等于或小于深度，蚀孔形态见图 1。点蚀是最具有破坏性的 图 1 点腐蚀坑的各种剖面形状（取自 ASTM G46—76）第 5 页 共 23 页和隐藏的腐蚀形态之一。它常常使得设备在重量损失还很小的情况下就穿孔而产生泄漏。奥氏体不锈钢设备在含氯离子或溴离子的介质作用下最容易产生点蚀。不锈钢外壁如果常被海水或天然水润湿，也会产生点蚀，这是因为海水或天然水中含有一定的氯离子。 2. 缝隙腐蚀当管道介质为电解质溶液时，在与介质接触的缝隙处，如法兰垫片处、单面焊未焊透处等，均会产生缝隙腐蚀，见图 2。图 2 单面焊未焊透引起的缝隙腐蚀产生缝隙腐蚀的缝隙宽度，必须能使介质进入缝隙而又使这些介质处于滞留状态，因此腐蚀常常发生在缝隙口宽度在 0.2mm 或更小的场合。纤维类的垫片、盘根等，能使电解质溶液在靠近金属表面处完全滞留，因此容易产生严重缝隙腐蚀。一些钝性金属如不锈钢、铝、钛等，容易产生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀在许多介质中发生，但以含氯化物的溶液中最严重。缝隙腐蚀的机理，一般认为是浓差腐蚀电池的原理，即缝隙内和周围溶液之间氧浓度或金属离子浓度存在差异造成的。3. 磨损腐蚀第 6 页 共 23 页磨损腐蚀也称为冲刷腐蚀。介质流向突然发生改变，对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械冲刷破坏作用，同时又对不断露出的金属新鲜表面发生激烈的电化学腐蚀，从而造成比其他部位更为严重的腐蚀损伤。这种损伤是金属以其离子或腐蚀产物从金属表面脱离，而不是像纯粹的机械磨损那样以固体金属粉末脱落。如果流体中夹有汽泡或固体悬浮物时，则最易发生磨损腐蚀。不锈钢的钝化膜耐磨损腐蚀性能较差，钛则较好。4. 涂层破损处的局部大气锈蚀对于化工厂的碳钢设备，这种腐蚀有时会很严重，因为化工厂区的大气中常常含有酸性气体，比自然大气的腐蚀性强得多。 五、 晶间腐蚀晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界和晶界附近，而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态。晶间腐蚀是由晶界的杂质，或晶界区某一合金元素增多或减少而引起的。晶间腐蚀造成晶粒脱落，使机械强度和延伸率显著下降，但仍保持原有的金屑光泽，不易发现，常造成设备突然破坏，危害很大。最易产生晶间腐蚀的是铬镍奥氏体不锈钢。关于铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因，已被公认的是贫铬理论。奥氏体不锈钢中碳与 Cr 及 Fe 能生成复杂的碳化物(Cr 、Fe) 23C6，在高温下固溶于奥氏体中。若将钢由高温缓慢冷却或在敏化温度范围(450~850℃)内保温时，奥氏体中过饱和的碳将和 Fe、C ，化合成(Cr、Fe)23C6，沿晶界沉淀析出。由于铬的扩散速度比较慢，这样生成 (Cr、Fe) 23C6 所需要的 Cr 必然要从晶界附近摄取，从而造成晶界附近区域铬含量降低，即所谓贫铬。如果铬含量降到 12％(钝化所需极限)以下，则贫铬区处于活化状态，它和晶粒之间构成原电池。晶界区是阳极，面积小；晶粒是阴极，面积大，从而造成晶界附近贫铬区的严重腐蚀。图 3 是晶界贫铬区腐蚀的示意图。当奥氏体不锈钢被加热到 450～850℃的敏化温度范围时，则晶间腐蚀特别第 7 页 共 23 页敏感。焊接时的热影响区正好处于敏化温度范围内，容易造成晶间腐蚀。因此，在施焊时，严格控制焊接电流和返修次数，以尽可能减小热输入量。奥氏体不锈钢晶间腐蚀的控制有三条途径：采用高温固溶处理，即固溶淬火；添加稳定化合金元素，如 Ti、Nb 等；降低钢中的碳含量至 0.03％以下。六、 应力腐蚀开裂金属材料在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下发生的断裂破坏，称为应力腐蚀破裂。发生应力腐蚀破裂的时间有长有短，有经过几天就开裂的，也有经过数年才开裂，这说明应力腐蚀破裂通常有一个或长或短的孕育期。应力腐蚀裂纹呈枯树枝状（开杈） ，大体上沿着垂直于拉应力的方向发展。裂纹的微观形态有穿晶型、晶间型(沿晶型)和二者兼有的混合型。焊接、冷加工及安装时残余应力是主要的应力来源。并不是任何的金属与介质的共同作用都引起应力腐蚀破裂。某种金属材料只有在某些特定的腐蚀环境中，才发生应力腐蚀破裂。1. 碱脆金属在碱液中的应力腐蚀破裂称碱脆。碳钢、低合金钢、不锈钢等多种金属材料皆可发生碱脆。碳钢(含低合金钢)发生碱脆的趋向见图 4。由图可知，氢氧化钠浓度在 5％以上的全部浓度范围内碳钢几乎都可能产生碱脆；碱脆的最第 8 页 共 23 页低温度为 50℃，所需碱液的浓度为 40％~50％。以沸点附近的高温区最易发生。裂纹呈晶间型。对奥氏体不锈钢，氢氧化钠浓度在 0.1％以上时即可发生碱脆。氢氧化钠浓度 40％最危险，这时发生碱脆的温度为 115℃左右。超低碳不锈钢的碱脆裂纹为穿晶型，含碳量高时，碱脆裂纹则为晶间型或混合型。当奥氏体不锈钢中加入 2％钼时，则可使其碱脆界限缩小，并向碱的高浓度区域移动。镍和镍基合金具有较高的耐应力腐蚀的性能，它的碱脆范围变得狭窄，而且位于高温浓碱区，如图 5。图 4 碳钢在减液中的应力腐蚀破裂区 图 5 不锈钢在减液中的应力腐蚀破裂区2. 不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂氯离子不但能引起不锈钢孔蚀，更能引起不锈钢的应力腐蚀破裂。发生应力腐蚀破裂的临界氯离子浓度随温度的上升而减小，高温下，氯离子浓度只要达到 10-6kg／kg(ppm) ，即能引起破裂。发生氯离子应力腐蚀破裂的临界温度为 70℃，工业中发生不锈钢氯离子应力腐蚀破裂的情况相当普遍。不锈钢氯离子应力腐蚀破裂不仅发生在内壁，发生在外壁的事例也屡见不鲜，见图 6。作为管外侧的腐蚀因素，被认为是保温材料的问题，对保温材料进行分析的结果，被检验出含有约 0.5％的氯离子。这个数值可认为是保温材料中含有的杂质，或由于保温层破损、浸入的雨水中带入并经过浓缩的结果。第 9 页 共 23 页图 6 不锈钢管道外壁的应力腐蚀破裂不锈钢氯离子应力腐蚀裂纹是典型的树枝状穿晶型裂纹，并常常以孔蚀为起源，如图 7。图 7 1Crl8Ni9Ti 以孔蚀为起点的穿晶应力腐蚀破裂3. 湿硫化氢应力腐蚀破裂（SSCC）金属在同时含硫化氢及水的介质中发生的应力腐蚀破裂即为硫化物腐蚀破裂，简称硫裂。在天然气、石油采集，加工炼制，石油化学及化肥等工业部门常常发生硫裂事故。发生硫裂所需的时间短则几天，长则几个月到几年不等，但是未见超过十年发生硫裂的事例。硫裂的裂纹较粗，分支较少，多为穿晶型，也有晶间型或混合型。按照 HG《钢制化工容器材料选用规定》 ，所谓湿硫化氢是指：（1） 温度小于等于（60+2P）℃，P 为压力，Mpa；第 10 页 共 23 页（2） 硫化氢分压大于等于 350Pa，即相当于常温水中硫化氢溶解度大于等于 10PPM；（3） 介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；（4） Ph<9 或有氰化物存在。为了避免湿硫化氢环境中碳钢和低合金钢的应力腐蚀，应当：（1） 材料标准规定的屈服强度小于等于 335Mpa；（2） 材料实测的抗拉强度小于等于 630Mpa；（3） 材料使用状态应至少为正火或正火+回火、退火、调质状态；（4） 碳当量限制（当碳当量超标时，应加大硬度限制频度）：对低碳钢和碳锰钢 ：C E≤0.40 CE =C+Mn/6; 对低合金钢：C E≤0.45CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15（5） 对非焊接件或焊后经正火或回火处理的材料，硬度限制为：低碳钢 HV（10）≤220（单个值） ；低合金钢 HV（10）≤245（单个值） 。（6） 壳体用钢板厚度大于 20mm 时，应按 JB4730 进行超声波探伤，符合 II 级要求。碳钢和低合金钢在 20-40℃温度范围内对硫裂的敏感性最大，但奥氏体不锈钢的硫裂大多发生在高温环境，随着温度升高，奥氏体不锈钢的硫裂敏感性增加。在含硫化氢及水的介质中，如果同时含醋酸，或者二氧化碳和氯化钠，或磷化氢，或砷、硒、锑、碲的化合物或氯离子，则对钢的硫裂起促进作用。对于奥氏体不锈钢的硫裂，氯离子和氧起促进作用。对碳钢和低合金钢来说，淬火+回火的金相组织抗硫裂最好，未回火马氏体第 11 页 共 23 页组织最差。钢抗硫裂性能依淬火+回火组织→正火+ 回火组织→正火组织→未回火马氏体组织的顺序递降。钢的强度越高，越易发生硫裂。通常规定 HB<200。图 8 碳钢应力腐蚀裂纹4. 其它常见应力腐蚀破裂体系(1)碳钢和低合金在农用液氨中的应力腐蚀破裂纯净的液氨不会引起破裂，当液氨中混入空气(O 2、N 2、CO 2)，如化肥工业中的农用液氨，则会引发应力腐蚀破裂，在液相部位和气相部位均会产生。如液氨中含水量超过 0.2％时，可抑制破裂的产生。对焊缝进行消除残余应力的热处理，是必要的防护措施。(2)碳钢在 CO—CO2—H2O 环境中的应力腐蚀破裂在合成氨、制氢的脱碳系统、煤气系统、有机合成及石油气等工业中常发生这类损伤事故。七、 腐蚀疲劳交变应力与化学介质共同作用下引起金属力学性能下降、开裂，甚至断裂的现象称为腐蚀疲劳。介质与应力的共同作用往往比它们单独作用或二者简第 12 页 共 23 页单叠加更加有害。有时腐蚀性很弱的介质，像水、潮湿空气等也能起很大作用，使材料或物件发生破坏的危险性增加，这种现象很容易被忽视，因此需要给予足够的注意。腐蚀疲劳裂纹的特征如下：腐蚀疲劳裂纹往往有很多条，但无分枝，这是与应力腐蚀裂纹的区别。裂纹一般是穿晶的。八、 氢损伤氢渗透进入金属内部而造成金属性能劣化称为氢损伤，也叫氢破坏。氢损伤可分为四种不同类型：氢鼓包、氢脆、脱碳和氢腐蚀。1. 氢鼓包主要发生在含湿硫化氢的介质中。硫化氢在水中电解产生氢离子，氢离子从铁原子获得电子变为氢原子。由于 S2+在金属表面的吸附对氢原子复合氢分子有阻碍作用，从而促进氢原子往金属内渗透。当氢原子向钢中渗透扩散时，遇到了裂缝、分层、空隙、夹渣等缺陷，就聚集起来结合成氢分子造成体积膨胀，在钢材内部产生极大压力(可达数百 MPa)。如果这些缺陷在钢材表面附近，则形成鼓包，如图 9 所示。如果这些缺陷在钢的内部深处，则形成诱发裂纹。它是沿轧制方向上产生的相互平行的裂纹，被短的横向裂纹连接起来形成“阶梯” ，如图 10 所示。劣化图 9 氢鼓包机理示意及氢鼓包图第 13 页 共 23 页图 10 16Mn 低合金钢在 H2S 腐蚀环境中发生的氢诱发阶梯裂纹2. 氢脆不论以什么方式进入钢内的氢，都将引起钢材脆化，即延伸率、断面收缩率显著下降，高强度钢尤其严重。若将钢材中的氢释放出来(如加热进行消氢处理)，则钢的机械性能仍可恢复。氢脆是可逆的。3. 脱碳在工业制氢装置中，高温氢气设备易产生脱碳损伤。钢中的渗碳体在高温下与氢气作用生成甲烷：Fe3C+2H2→3Fe+CH 4↑ 反应结果导致表面层的渗碳体减少，而碳便从邻近的尚未反应的金属层逐渐扩散到这一反应区，于是有一定厚度的金属层因缺碳而变为铁素体。脱碳的结果造成钢的表面强度和疲劳极限的降低。4. 氢腐蚀钢受到高温高压氢作用后，其机械性能变劣，强度、韧性明显降低，并且是不可逆的，这种现象叫做氢腐蚀。 （略）九、 腐蚀防护关于腐蚀防护的方法很多，但应当按照腐蚀的种类和机理合理选择。如合理选材、设计合理的结构、规范地进行制造安装和管理、定期检验、阴极保护、阳极保护、涂层等。在此不再叙述。第 14 页 共 23 页第二部分 金属材料的损伤与失效一、金属材料的损伤在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下，造成材料性能下降、开裂或结构承载能力下降，称为损伤，损伤具有不可逆特征，损伤可能发展为失效和断裂。典型损伤过程包括疲劳损伤、介质损伤、热损伤和组合损伤。1. 疲劳损伤变化的应力，特别是频繁变化的应力，会在应力集中区域造成疲劳裂纹。例如：由于管道振动，在与设备连接位置（焊缝）产生的对称的疲劳裂纹。疲劳损伤包括低周疲劳损伤和高周疲劳损伤。2. 介质损伤介质，包括工艺介质和环境介质（如潮湿的空气、外部水环境、雨水等）会造成腐蚀。表现为腐蚀坑、全面腐蚀减薄、应力腐蚀开裂等。例如：酸介质的全面腐蚀：减薄，承载能力下降湿硫化氢导致的应力腐蚀开裂：穿透泄漏、爆炸锅炉尾部受热面的露点腐蚀：局部减薄、泄漏岩棉保温管道＋雨水带来的不锈钢管道的应力腐蚀开裂：泄漏埋地管道防腐层损坏位置的溃疡状腐蚀：破裂泄漏锅炉水侧的氧腐蚀和垢下腐蚀：破裂泄漏高温高压临氢环境的氢损伤：加氢反应器3. 热损伤热疲劳：由于存在随时间变化的温度梯度而在构件中产生交变热应力造成的疲劳开裂现象。锅炉中常见。珠光体的球化：碳素钢、Cr-Mo 钢、Cr-Mo-V 钢在高温作用下，钢材中表面能较高的层片状的珠光体会逐步演化为表面能较低的球状，造成硬度和强度下降。称为珠光体的球化。15CrMo 钢的珠光体完全球化如下图。第 15 页 共 23 页1000× 4000×渗碳体的石墨化：碳素钢在 427℃以上，1/2 钼钢在 480℃以上时，在高温长期作用下，钢材中的渗碳体分解为游离的石墨和铁，石墨聚集成球团状，造成材料力学性能下降。这种现象称为渗碳体的石墨化。碳素钢的石墨化（500X）过热：一般认为，金属由于加热温度过高或高温保温时间过长而引起晶粒粗大的现象就是过热。过热将引起材料的塑性、冲击韧度、疲劳性能、断裂韧度及抗应力腐蚀能力下降。 至于晶粒粗大到什么程度算过热，应视具体材料而有所不同。碳钢（包括亚共折钢和过共折钢） 、轴承钢和一些钢合金，过热之后往往出现魏氏组织；马氏体和贝氏体钢过热之后往往出现晶内织构组织；1Cr18Ni9Ti、1Cr13 和 Cr17Ni2 等不锈钢过热之后 α相（或 δ铁素体）显著增多；工模具钢（或高合金钢）往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织。钛合金过热后出现明显的 β晶界和平直细长的魏氏组织（图片 8-423） ，这些通过金相检查便可以判定。对铝合金的过热现在没有明确的判定标准。一般过热的结构钢经正常热处理（正火、淬火）之后，组织可以得到改善，性能也随之恢复。过烧：加热温度比过热的更高，但与过热没有严格的温度界限。一般以晶第 16 页 共 23 页粒边界出现氧化及熔化为特征来判定过烧。如对碳素钢来说，过烧时晶界熔化、严重氧化。一般不能通过热处理过程恢复，锻件过烧后一般要报废。蠕变：金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象，称为蠕变。对于一般金属，蠕变现象只有在高温条件下才明显表现出来。但是，某些金属，如铅、锡及它们的合金，在常温条件下，也能表现出蠕变现象。产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。蠕变现象的产生，是由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。碳钢在 300-400℃时，在应力的作用下即能明显地出现蠕变现象。当温度在高于 400℃时，即使应力不大，也要出现较大速率的蠕变。合金钢的温度超过 400~450℃时，在一定的应力作用下，就会发生蠕变、温度愈高，蠕变现象愈明显。高温高压火电厂中产生蠕变的部件较多，如主蒸汽管道、锅炉联箱、汽水管通、高温紧固件、汽轮机汽缸等。 由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。所以，对于长期运行的高温部件，要进行严格的蠕变监测。当然，一些部件在工作中出现一些塑性变形还是允许的，只要它们在整个工作期限内（例如 10 万小时） ，由于蠕变所累积的塑性变形量不超过允许值即可。例如，一般规定主蒸汽管道、高温蒸汽联箱经 10 万小时运行后，总变形量不超过1%；汽轮机汽缸 10 万小时后的总变形量不超过 0.1%；锅炉的合金钢过热器管和再热管，当蠕变胀粗大于 2.5%时，即行更换；锅炉的碳钢过热器管和再热器管，当蠕变胀粗大于 3.5%时，即行更换。4. 交互损伤实际损伤往往有多种影响因素，因此破坏形式往往是复杂的，如：腐蚀疲劳损伤、蠕变疲劳损伤等。二、失效与失效分析1. 失效的概念由于承载能力下降（含寿命损耗）或载荷增大，丧失了原来的承载能力从而不能正常工作，称为失效。失效包括开裂、泄漏、爆炸、过度变形、失稳、材料性能劣化（材质劣化）等。失效也可以表述为当构件的抵抗能力小于外界的破坏推动力时发生的异常行为或结果。第 17 页 共 23 页2. 失效分析的意义分析失效原因的意义：（1）分清责任（设计、制造、使用、检验等）（2）修复、纠正、改进，防止重复发生（3）促进科研和技术进步3. 失效分析的基本思路（1）承载能力方面：承载能力下降，抵抗能力下降，原因包括：厚度减薄（腐蚀等） ，材料性能下降（如氢损伤、蠕变、寿命损耗、珠光体球化、渗碳体石墨化等） ，结构不合理，温度过高，焊接缺陷，外伤，形状超差等均会引起结构承载能力下降。（2）外载荷方面：载荷增大，破坏推动力增大，如：压力过大，温度过高，震动，压力脉动，地震，管道的漂移，地基下沉或上凸，偶然事件等均会引起推动力增大，造成失效。4. 破坏种类及特征（1）按照原因分类：腐蚀破坏：腐蚀、冲蚀减薄，应力腐蚀等疲劳破坏：交变载荷作用蠕变破坏：高温、长时、承载其他破坏：设计不合理或制造焊接质量不良造成的破坏等。（2）按照破坏时宏观变形量的大小分为：韧性破坏和脆性破坏。（3）按照破坏时材料的微观断裂机制：韧窝断裂、解理断裂、沿晶脆性断裂和疲劳断裂等。（4）工程常用分类：韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏和其他形式的破坏。实际的破坏形式往往是几种形式的混合，可能会以一种为主。5. 韧性破坏一般指韧性材料或材料在韧性状态下的超压破坏。破坏过程：过压产生弹塑性变形——产生微裂纹或空洞生长——裂纹扩展、空洞聚集——断裂（失稳扩展）裂纹核来源：微裂纹，夹杂物等。第 18 页 共 23 页韧性破坏的特征：（1） 变形明显，形状改变明显；（2） 一般无碎片（材料韧性好） ；（3） 爆破压力容易计算且与理论值接近；（4） 断口灰暗，无金属光泽；断口通常有剪切唇。显微分析一般为韧窝花样。（5） 一般可以通过人字纹寻找起裂点。韧性破坏的例子——气瓶爆炸韧性破坏的预防:（1） 防止超压（压力过大或安全装置失灵等）（2） 防止和即使发现腐蚀减薄（设计、定期检验）（3） 防止材料错用第 19 页 共 23 页6. 脆性破坏在没有明显塑性变形和较低压力下的突然破坏。一般原因是材料有严重缺陷和材料韧性严重不足。材料的脆性及影响因素：（1） 当温度降低到小于材料的无延性转变温度及以下时，材料韧性急剧下降，缺口敏感性加大。（2） 影响材料脆性的因素：应力状态、温度、加载速度、厚度（应力状态） 、晶粒度、化学成分（C、N、O、H、S、P）（3） 环境温度、介质温度、液态介质闪蒸等造成温度下降。（4） 大量的脆性破坏往往是因为构件内存在严重缺陷。如裂纹等面状缺陷。研究裂纹缺陷对构件影响的学科——断裂力学。脆性破坏的特征（1） 无明显塑性变形（2） 破坏时的应力水平较低（3） 往往有碎片，裂口呈放射状（4） 很多在温度较低时发生（5） 断口特征：断口平齐，一般与最大主应力方向垂直；有金属光泽；往往为解理断裂；若因为缺陷造成，通过人字纹查找原始缺陷。a) 铁，-196℃冲击破坏 b) 30%Cr 焊缝金属，羽毛状第 20 页 共 23 页c) 孪晶造成裂纹扩展方向不同 d) 0.5%Mn 钢销钉孪晶解理断面脆性破坏的防止：（1） 发现并消除缺陷——加强检验（2） 消除焊接残余应力（3） 正确选用材料，保证有足够的韧性（4） 避免应力集中7. 腐蚀破坏腐蚀的危害：（1）腐蚀会使容器整体或局部壁厚减薄，承载能力下降、造成破裂。（2）腐蚀会造成危害性极大的裂纹，造成容器的裂穿泄漏、严重时会造成突然破裂或爆炸。 腐蚀破坏的种类（1） 全面腐蚀 （2） 局部腐蚀 （点蚀 、缝隙腐蚀 、磨损腐蚀 、大气锈蚀 ）（3） 晶间腐蚀 （4） 应力腐蚀与应力腐蚀开裂（5） 腐蚀疲劳 （6） 氢损伤 （氢鼓包 、氢脆 、脱碳 、氢腐蚀 等）8. 疲劳破坏构件长期受到反复加压和卸压的交变载荷作用出现的破坏形式：交变应力→裂纹成核→扩展→断裂。高应力和反复性是造成疲劳破坏的基本原因，在承压类特种设备上通常表现为低周疲劳。疲劳破坏的特征发生部位：应力集中位置，有类裂纹缺陷位置。变形小：无整体塑性变形，无直径增大、壁厚减薄。断口形貌(1) 分区明显：裂纹产生区、扩展区和最终断裂区(2) 断口平齐、光亮，有疲劳辉纹。第 21 页 共 23 页a)Ni 合金 650℃旋转弯曲，底部起裂 b)按晶粒取向的疲劳裂纹c)商同纯钛的疲劳断口疲劳破坏的防止:(1) 选用抗疲劳材料（塑性、韧性） ；(2)疲劳分析（对疲劳工况） ；(3) 消除应力集中；(4) 加强检验（制造安装检验和定期检验）9. 蠕变破坏蠕变现象：高温（400℃或更高）和拉应力作用下，材料随时间而发生缓慢变形。晶界滑移→晶界微观蠕变空洞→空洞生长聚集→断裂特征：沿晶断裂、断口无金属光泽、粗糙、可能有氧化物或腐蚀产物、有一定宏观变形（如胀粗等）但断口减薄不明显，通常无剪切唇、断口与表面垂直。蠕变破坏的预防（1） 选用合适的材料（耐高温性能）（2） 合理的应力分析和设计（适当降低局部应力水平）第 22 页 共 23 页（3） 防止材料错用（4） 防止超压运行（5） 避免过热（6） 加强检验（制造安装检验和定期检验）10. 复合破坏实际的失效往往有多种影响因素，因此破坏形式往往是复杂的，如：腐蚀疲劳破坏、蠕变疲劳破坏等11. 失效分析的主要手段（1） 资料审查：出厂资料、运行记录、事故记录、修理改造记录、历次检验报告等。（2） 宏观检验：设备结构、几何尺寸及变形，腐蚀状况等。（3） 测厚——是否减薄（4） 常规无损检测（少数情况下采用）： 磁粉、着色、射线、超声波等 （5） 硬度测定：材质不明时确定强度，观察热处理效果，确定材质劣化程度等 （6） 金相检验：宏观金相（20X 以下） ，微观金相（ 100X 以上） 、复膜金相 （7） 化学成分分析（熔炼、光谱） 、微区化学成份分析 （8） 应力测定、残余应力测定、应力分析、强度核算 （9） 断口分析：包括断口宏观形貌分析、断口纤维分析、断口腐蚀产物分析（10） 力学性能试验 上述手段在失效分析中按照实际需要选取。12. 断口保护第 23 页 共 23 页
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