腐蝕與損傷教案(鍋爐、壓力容器、壓力管道)

腐蝕與損傷

（教案）

2006年9月

主要內容

第一部分金屬材料的腐蝕

一金屬腐蝕及種類

二腐蝕的危害性

三全面腐蝕

四局部腐蝕

1.點蝕

2.縫隙腐蝕

3.磨損腐蝕

4.涂層破損處的局部大氣銹蝕

五晶間腐蝕

六應力腐蝕開裂

1.堿脆

2.不銹鋼的氯離子應力腐蝕破裂

3.濕硫化氫應力腐蝕破裂（SSCC）

4.其它常見應力腐蝕破裂體系

七腐蝕疲勞

八氫損傷

1.氫鼓包

2.氫脆

3.脫碳

4.氫腐蝕

九腐蝕防護

第二部分金屬材料的損傷與失效

一、金屬材料的損傷

1.疲勞損傷

2.介質損傷

3.熱損傷

4.交互損傷

二、失效與失效分析

1.失效的概念

2.失效分析的意義

3.失效分析的基本思路

4.破壞種類及特征

5.韌性破壞

6.脆性破壞

7.腐蝕破壞

8.疲勞破壞

9.蠕變破壞

10.復合破壞

11.失效分析的主要手段

12.斷口保護

第一部分金屬材料的腐蝕

操作介質或環(huán)境對鍋爐壓力容器壓力管道的腐蝕普遍存在，對鍋爐壓力容

器壓力管道的安全運行構成威脅。因此研究腐蝕對指導鍋爐壓力容器壓力管道

的管理、檢驗及安全監(jiān)察均具有重要意義。腐蝕檢驗是鍋爐壓力容器壓力管道

定期檢驗中的主要內容之一。本節(jié)介紹金屬腐蝕的分類、幾種危害較大的腐蝕

形式以及腐蝕的防護或避免措施等。

一、金屬腐蝕及種類

金屬材料表面由于受到周圍介質的作用而發(fā)生狀態(tài)變化，從而使金屬材料

遭受破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。如鐵生銹、銅發(fā)綠銹、鋁生白斑點等。金屬的腐蝕

按照機理（或原理）可分為化學腐蝕與電化學腐蝕兩類。

化學腐蝕：化學腐蝕是金屬表面與環(huán)境介質發(fā)生化學作用而產生的損壞，它

的特點是腐蝕在金屬的表面上，腐蝕過程中有電子得失但沒有電流的產生。金

屬的高溫氧化及脫碳就屬于化學腐蝕，高溫高壓臨氫環(huán)境中金屬的氫腐蝕也屬

于化學腐蝕。

電化學腐蝕：金屬與電解質溶液間產生電化學作用所發(fā)生的腐蝕稱電化學腐

蝕。它的特點是在腐蝕過程中有電流產生。鍋爐壓力容器壓力管道的應力腐蝕、

晶間腐蝕均屬于電化學腐蝕。金屬的電化學腐蝕必須存在電解質、被腐蝕區(qū)域

（電位低，為陽極）與其他區(qū)域（電位高，為陰極）存在電位差。陽極金屬失

去電子成為金屬離子，從而造成腐蝕。

其它分類方法：

按照溫度分：低溫腐蝕和高溫腐蝕。

按照環(huán)境分：化學介質腐蝕、大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕等。

按照金屬破壞的形式可分為10類，分別為全面腐蝕、電偶腐蝕、孔蝕（點蝕）、

縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、晶間腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、氫

損傷。這種方法比較直觀，使用場合廣泛。

二、腐蝕的危害性

腐蝕會使管道整體或局部壁厚減薄，承載能力下降、造成破裂。

腐蝕會造成危害性極大的裂紋，造成管道的裂穿泄漏、嚴重時會造成突然

破裂或爆炸。

三、全面腐蝕

全面腐蝕也叫均勻腐蝕，這是在較大面積上產生的程度基本相同的腐蝕，

如管道內壁表面遭受介質的全面腐蝕，外壁裸露表面（或有涂料但已全面失效）

遭受的大氣銹蝕等。

遭受全面腐蝕的管道，壁厚逐漸減薄，最后破壞。從工程的角度看，全面

腐蝕并不是威脅很大的腐蝕形態(tài)，因為設計時可考慮足夠的腐蝕裕度。但應注

意的是，在管道使用過程中，腐蝕速度往往因環(huán)境惡化（如超溫、加進腐蝕性成

份等）而加劇，因此定期檢驗對全面腐蝕的檢查是十分必要的，通過定點測厚，

掌握壁厚減薄的情況。但是定期檢驗工作不力、壁厚腐蝕減薄而發(fā)生事故的事

例屢見不鮮。

四、局部腐蝕（點蝕、縫隙腐蝕、磨損腐蝕）

1.點蝕

集中在金屬表面?zhèn)€別小

位置上的深度較大的腐蝕稱

為點蝕，也叫孔蝕。

大多數(shù)情況下，蝕孔是

比較小的。蝕孔之間有時互相

（d）皮下囊形（e）掏蝕形

孤立，有時十分靠近，密集在

一起。蝕孔直徑等于或小于深

（水平形）（垂直形）

度，蝕孔形態(tài)見圖lo（f）顯微結構取向

點蝕是最具有破壞性的圖1點腐蝕坑的各種剖面形狀（取自ASTMG46—76）

和隱藏的腐蝕形態(tài)之一。它常常使得設備在重量損失還很小的情況下就穿孔而

產生泄漏。

奧氏體不銹鋼設備在含氯離子或溟離子的介質作用下最容易產生點蝕。不

銹鋼外壁如果常被海水或天然水潤濕，也會產生點蝕，這是因為海水或天然水

中含有一定的氯離子。

2.縫隙腐蝕

當管道介質為電解質溶液時，在與介質接觸的縫隙處，如法蘭墊片處、單

面焊未焊透處等，均會產生縫隙腐蝕，見圖2。

圖2單面焊未焊透引起的縫隙腐蝕

產生縫隙腐蝕的縫隙寬度，必須能使介質進入縫隙而又使這些介質處于滯

留狀態(tài)，因此腐蝕常常發(fā)生在縫隙口寬度在0.2mm或更小的場合。纖維類的墊

片、盤根等，能使電解質溶液在靠近金屬表面處完全滯留，因此容易產生嚴重

縫隙腐蝕。

一些鈍性金屬如不銹鋼、鋁、鈦等，容易產生縫隙腐蝕。縫隙腐蝕在許多

介質中發(fā)生，但以含氯化物的溶液中最嚴重。

縫隙腐蝕的機理，一般認為是濃差腐蝕電池的原理，即縫隙內和周圍溶液

之間氧濃度或金屬離子濃度存在差異造成的。

3.磨損腐蝕

磨損腐蝕也稱為沖刷腐蝕。介質流向突然發(fā)生改變，對金屬及金屬表面的

鈍化膜或腐蝕產物層產生機械沖刷破壞作用，同時又對不斷露出的金屬新鮮表

面發(fā)生激烈的電化學腐蝕，從而造成比其他部位更為嚴重的腐蝕損傷。這種損

傷是金屬以其離子或腐蝕產物從金屬表面脫離，而不是像純粹的機械磨損那樣

以固體金屬粉末脫落。

如果流體中夾有汽泡或固體懸浮物時，則最易發(fā)生磨損腐蝕。

不銹鋼的鈍化膜耐磨損腐蝕性能較差，鈦則較好。

4.涂層破損處的局部大氣銹蝕

對于化工廠的碳鋼設備，這種腐蝕有時會很嚴重，因為化工廠區(qū)的大氣中

常常含有酸性氣體，比自然大氣的腐蝕性強得多。

五、晶間腐蝕

晶間腐蝕是腐蝕局限在晶界和晶界附近，而晶粒本身腐蝕比較小的一種腐

蝕形態(tài)。晶間腐蝕是由晶界的雜質，或晶界區(qū)某一合金元素增多或減少而引起

的。

晶間腐蝕造成晶粒脫落，使機械強度和延伸率顯著下降，但仍保持原有的

金屑光澤，不易發(fā)現(xiàn)，常造成設備突然破壞，危害很大。最易產生晶間腐蝕的

是銘鎮(zhèn)奧氏體不銹鋼。關于銘銀奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因，已被公認的是

貧銘理論。奧氏體不銹鋼中碳與Cr及Fe能生成復雜的碳化物（Cr、Fe）23C6,在

高溫下固溶于奧氏體中。若將鋼由高溫緩慢冷卻或在敏化溫度范圍（450~850℃）

內保溫時，奧氏體中過飽和的碳將和Fe、C,化合成（Cr、Fe）23c6,沿晶界沉淀

析出。由于鋁的擴散速度比較慢，這樣生成（Cr、Fe）23c6所需要的Cr必然要從

晶界附近攝取，從而造成晶界附近區(qū)域鋁含量降低，即所謂貧銘。如果銘含量

降到12%（鈍化所需極限）以下，則貧銘區(qū)處于活化狀態(tài)，它和晶粒之間構成原電

池。晶界區(qū)是陽極，面積小；晶粒是陰極，面積大，從而造成晶界附近貧銘區(qū)

的嚴重腐蝕。圖3是晶界貧信區(qū)腐蝕的示意圖。

當奧氏體不銹鋼被加熱到450?850C的敏化溫度范圍時，則晶間腐蝕特別

敏感。焊接時的熱影響區(qū)正好處于敏化溫度范圍內，容易造成晶間腐蝕。因此,

在施焊時，嚴格控制焊接電流和返修次數(shù)，以盡可能減小熱輸入量。

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的控制有三條途徑：采用高溫固溶處理，即固溶淬

火；添加穩(wěn)定化合金元素，如Ti、Nb等；降低鋼中的碳含量至0.03%以下。

(

卓30

、20

竭10

6

圖318-8鋼晶界析出碳化珞后造成晶間腐蝕示意圖

Q）品界附近碳、輅含量分布;（b）晶界貧輅區(qū)被腐蝕的情況;（c）1ft界貧格區(qū)被腐蝕的剖面圖

六、應力腐蝕開裂

金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發(fā)生的斷裂破壞，稱為應

力腐蝕破裂。

發(fā)生應力腐蝕破裂的時間有長有短，有經(jīng)過幾天就開裂的，也有經(jīng)過數(shù)年

才開裂，這說明應力腐蝕破裂通常有一個或長或短的孕育期。

應力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀（開杈），大體上沿著垂直于拉應力的方向發(fā)展。

裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型（沿晶型）和二者兼有的混合型。

焊接、冷加工及安裝時殘余應力是主要的應力來源。

并不是任何的金屬與介質的共同作用都引起應力腐蝕破裂。某種金屬材料

只有在某些特定的腐蝕環(huán)境中，才發(fā)生應力腐蝕破裂。

1.堿脆

金屬在堿液中的應力腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金

屬材料皆可發(fā)生堿脆。碳鋼（含低合金鋼）發(fā)生堿脆的趨向見圖4。由圖可知，氫

氧化鈉濃度在5%以上的全部濃度范圍內碳鋼幾乎都可能產生堿脆；堿脆的最低

溫度為50℃,所需堿液的濃度為40%~50%。以沸點附近的高溫區(qū)最易發(fā)生。

裂紋呈晶間型。對奧氏體不銹鋼，氫氧化鈉濃度在0.1%以上時即可發(fā)生堿脆。

氫氧化鈉濃度40%最危險，這時發(fā)生堿脆的溫度為115℃左右。超低碳不銹鋼的

堿脆裂紋為穿晶型，含碳量高時，堿脆裂紋則為晶間型或混合型。當奧氏體不

銹鋼中加入2%鋁時，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區(qū)域移動。鎮(zhèn)和

銀基合金具有較高的耐應力腐蝕的性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高

溫濃堿區(qū)，如圖5。

圖4碳鋼在減液中的應力腐蝕破裂區(qū)圖5不銹鋼在減液中的應力腐蝕破裂區(qū)

2.不銹鋼的氯離子應力腐蝕破裂

氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應力腐蝕破裂。

發(fā)生應力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子

濃度只要達到104g/kg(ppm),即能引起破裂。發(fā)生氯離子應力腐蝕破裂的臨

界溫度為70℃,工業(yè)中發(fā)生不銹鋼氯離子應力腐蝕破裂的情況相當普遍。

不銹鋼氯離子應力腐蝕破裂不僅發(fā)生在內壁，發(fā)生在外壁的事例也屢見不

鮮，見圖6O作為管外側的腐蝕因素，被認為是保溫材料的問題，對保溫材料進

行分析的結果，被檢驗出含有約0.5%的氯離子。這個數(shù)值可認為是保溫材料中

含有的雜質，或由于保溫層破損、浸入的雨水中帶入并經(jīng)過濃縮的結果。

圖6不銹鋼管道外壁的應力腐蝕破裂

不銹鋼氯離子應力腐蝕裂紋是典型的樹枝狀穿晶型裂紋，并常常以孔蝕為

起源，如圖7。

圖7lCrI8Ni9Ti以孔蝕為起點的穿晶應力腐蝕破裂

3.濕硫化氫應力腐蝕破裂（SSCC）

金屬在同時含硫化氫及水的介質中發(fā)生的應力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破

裂，簡稱硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學及化肥等工業(yè)部門

常常發(fā)生硫裂事故。

發(fā)生硫裂所需的時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但是未見超過十

年發(fā)生硫裂的事例。

硫裂的裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。

按照HG2058L1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》，所謂濕硫化氫是指：

（1）溫度小于等于（60+2P）℃,P為壓力，Mpa；

(2)硫化氫分壓大于等于350Pa,即相當于常溫水中硫化氫溶解度大于等

于10PPM；

(3)介質中含有液相水或處于水的露點溫度以下；

(4)Phv9或有氟化物存在。

為了避免濕硫化氫環(huán)境中碳鋼和低合金鋼的應力腐蝕，應當：

(1)材料標準規(guī)定的屈服強度小于等于335Mpa；

(2)材料實測的抗拉強度小于等于630Mpa；

(3)材料使用狀態(tài)應至少為正火或正火+回火、退火、調質狀態(tài)；

(4)碳當量限制(當碳當量超標時，應加大硬度限制頻度)：對低碳

鋼和碳鎰鋼：CE^0.40CE=C+Mn/6;

對低合金鋼：CEW0.45

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

(5)對非焊接件或焊后經(jīng)正火或回火處理的材料，硬度限制為：低

碳鋼HV(10)/220(單個值)；低合金鋼HV(10)W245(單

個值)。

(6)殼體用鋼板厚度大于20mm時，應按JB4730進行超聲波探傷,

符合II級要求。

碳鋼和低合金鋼在20-40C溫度范圍內對硫裂的敏感性最大，但奧氏體不銹

鋼的硫裂大多發(fā)生在高溫環(huán)境，隨著溫度升高，奧氏體不銹鋼的硫裂敏感性增

加。

在含硫化氫及水的介質中，如果同時含醋酸，或者二氧化碳和氯化鈉，或

磷化氫，或碎、硒、睇、孺的化合物或氯離子，則對鋼的硫裂起促進作用。

對于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用。

對碳鋼和低合金鋼來說，淬火+回火的金相組織抗硫裂最好，未回火馬氏體

組織最差。鋼抗硫裂性能依淬火+回火組織-正火+回火組織f正火組織f未回

火馬氏體組織的順序遞降。

鋼的強度越高，越易發(fā)生硫裂。通常規(guī)定HB<200。

(a)管道內表面焊縫附近

(b)焊縫斷面(下為管內表而)x2.5

圖8碳鋼應力腐蝕裂紋

4.其它常見應力腐蝕破裂體系

(1)碳鋼和低合金在農用液氨中的應力腐蝕破裂

純凈的液氨不會引起破裂，當液氨中混入空氣(。2、N2、CO2),如化肥工

業(yè)中的農用液氨，則會引發(fā)應力腐蝕破裂，在液相部位和氣相部位均會產生。

如液氨中含水量超過0.2%時，可抑制破裂的產生。對焊縫進行消除殘余應力的

熱處理，是必要的防護措施。

(2)碳鋼在C0-C02—H2O環(huán)境中的應力腐蝕破裂

在合成氨、制氫的脫碳系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、有機合成及石油氣等工業(yè)中常發(fā)

生這類損傷事故。

七、腐蝕疲勞

交變應力與化學介質共同作用下引起金屬力學性能下降、開裂，甚至斷

裂的現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞。介質與應力的共同作用往往比它們單獨作用或二者簡

單疊加更加有害。有時腐蝕性很弱的介質，像水、潮濕空氣等也能起很大作用,

使材料或物件發(fā)生破壞的危險性增加，這種現(xiàn)象很容易被忽視，因此需要給予

足夠的注意。

腐蝕疲勞裂紋的特征如下：腐蝕疲勞裂紋往往有很多條，但無分枝，這

是與應力腐蝕裂紋的區(qū)別。裂紋一般是穿晶的。

八、氫損傷

氫滲透進入金屬內部而造成金屬性能劣化稱為氫損傷，也叫氫破壞。氫損

傷可分為四種不同類型：氫鼓包、氫脆、脫碳和氫腐蝕。

1.氫鼓包

主要發(fā)生在含濕硫化氫的介質中。

硫化氫在水中電解產生氫離子，氫離子從鐵原子獲得電子變?yōu)闅湓印?/p>

由于S?+在金屬表面的吸附對氫原子復合氫分子有阻礙作用，從而促進氫原

子往金屬內滲透。當氫原子向鋼中滲透擴散時，遇到了裂縫、分層、空隙、夾

渣等缺陷,就聚集起來結合成氫分子造成體積膨脹,在鋼材內部產生極大壓力（可

達數(shù)百MPa）。如果這些缺陷在鋼材表面附近，則形成鼓包，如圖9所示。如果

這些缺陷在鋼的內部深處，則形成誘發(fā)裂紋。它是沿軋制方向上產生的相互平

行的裂紋，被短的橫向裂紋連接起來形成“階梯”，如圖10所示。劣化

空氣

圖9氫鼓包機理示意及氫鼓包圖

圖1016Mn低合金鋼在H2S腐蝕環(huán)境中發(fā)生的氫誘發(fā)階梯裂紋

2.氫脆

不論以什么方式進入鋼內的氫，都將引起鋼材脆化，即延伸率、斷面收縮

率顯著下降，高強度鋼尤其嚴重。若將鋼材中的氫釋放出來（如加熱進行消氫處

理），則鋼的機械性能仍可恢復。氫脆是可逆的。

3.脫碳

在工業(yè)制氫裝置中，高溫氫氣設備易產生脫碳損傷。鋼中的滲碳體在高

溫下與氫氣作用生成甲烷：

Fe3C+2H2->3Fe+CH4f

反應結果導致表面層的滲碳體減少，而碳便從鄰近的尚未反應的金屬層逐

漸擴散到這一反應區(qū)，于是有一定厚度的金屬層因缺碳而變?yōu)殍F素體。脫碳的

結果造成鋼的表面強度和疲勞極限的降低。

4.氫腐蝕

鋼受到高溫高壓氫作用后，其機械性能變劣，強度、韌性明顯降低，并且

是不可逆的，這種現(xiàn)象叫做氫腐蝕。（略）

九、腐蝕防護

關于腐蝕防護的方法很多，但應當按照腐蝕的種類和機理合理選擇。如合

理選材、設計合理的結構、規(guī)范地進行制造安裝和管理、定期檢驗、陰極保護、

陽極保護、涂層等。在此不再敘述。

第二部分金屬材料的損傷與失效

一、金屬材料的損傷

在外部機械力、介質環(huán)境、熱作用等單獨或共同作用下，造成材料性能下

降、開裂或結構承載能力下降，稱為損傷，損傷具有不可逆特征，損傷可能發(fā)

展為失效和斷裂。

典型損傷過程包括疲勞損傷、介質損傷、熱損傷和組合損傷。

1.疲勞損傷

變化的應力，特別是頻繁變化的應力，會在應力集中區(qū)域造成疲勞裂紋。

例如：由于管道振動，在與設備連接位置（焊縫）產生的對稱的疲勞裂紋。

疲勞損傷包括低周疲勞損傷和高周疲勞損傷。

2.介質損傷

介質，包括工藝介質和環(huán)境介質（如潮濕的空氣、外部水環(huán)境、雨水等）會

造成腐蝕。表現(xiàn)為腐蝕坑、全面腐蝕減薄、應力腐蝕開裂等。

例如：

酸介質的全面腐蝕：減薄，承載能力下降

濕硫化氫導致的應力腐蝕開裂：穿透泄漏、爆炸

鍋爐尾部受熱面的露點腐蝕：局部減薄、泄漏

巖棉保溫管道+雨水帶來的不銹鋼管道的應力腐蝕開裂：泄漏

埋地管道防腐層損壞位置的潰瘍狀腐蝕：破裂泄漏

鍋爐水側的氧腐蝕和垢下腐蝕：破裂泄漏

高溫高壓臨氫環(huán)境的氫損傷：加氫反應器

3.熱損傷

熱疲勞:由于存在隨時間變化的溫度梯度而在構件中產生交變熱應力造成的

疲勞開裂現(xiàn)象。鍋爐中常見。

珠光體的球化:碳素鋼、Cr-Mo鋼、Cr-Mo-V鋼在高溫作用下，鋼材中表

面能較高的層片狀的珠光體會逐步演化為表面能較低的球狀，造成硬度和強度

下降。稱為珠光體的球化。15CrM。鋼的珠光體完全球化如下圖。

1000X4000X

滲碳體的石墨化:碳素鋼在427c以上，1/2鋁鋼在480C以上時，在高溫長

期作用下，鋼材中的滲碳體分解為游離的石墨和鐵，石墨聚集成球團狀，造成

材料力學性能下降。這種現(xiàn)象稱為滲碳體的石墨化。

碳素鋼的石墨化（500X）

過熱:一般認為，金屬由于加熱溫度過高或高溫保溫時間過長而引起晶粒粗

大的現(xiàn)象就是過熱。過熱將引起材料的塑性、沖擊韌度、疲勞性能、斷裂韌度

及抗應力腐蝕能力下降。至于晶粒粗大到什么程度算過熱，應視具體材料而

有所不同。碳鋼（包括亞共折鋼和過共折鋼）、軸承鋼和一些鋼合金，過熱之后

往往出現(xiàn)魏氏組織；馬氏體和貝氏體鋼過熱之后往往出現(xiàn)晶內織構組織；

lCrl8Ni9Ti>lCrl3和Crl7Ni2等不銹鋼過熱之后a相（或6鐵素體）顯著增

多；工模具鋼（或高合金鋼）往往以一次碳化物角狀化為特征判定過熱組織。

鈦合金過熱后出現(xiàn)明顯的P晶界和平直細長的魏氏組織（圖片8-423）,這些通

過金相檢查便可以判定。對鋁合金的過熱現(xiàn)在沒有明確的判定標準。

一般過熱的結構鋼經(jīng)正常熱處理（正火、淬火）之后，組織可以得到改善，

性能也隨之恢復。

過燒:加熱溫度比過熱的更高，但與過熱沒有嚴格的溫度界限。一般以晶粒

邊界出現(xiàn)氧化及熔化為特征來判定過燒。如對碳素鋼來說，過燒時晶界熔化、

嚴重氧化。一般不能通過熱處理過程恢復，鍛件過燒后一般要報廢。

蠕變:金屬材料長期在不變的溫度和不變的應力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變

形的現(xiàn)象，稱為蠕變。對于一般金屬，蠕變現(xiàn)象只有在高溫條件下才明顯表現(xiàn)

出來。但是，某些金屬，如鉛、錫及它們的合金，在常溫條件下，也能表現(xiàn)出

蠕變現(xiàn)象。產生蠕變所需的應力，甚至可以小于材料的彈性極限。蠕變現(xiàn)象的

產生，是由三個方面的因素構成：溫度、應力和時間。碳鋼在300-400°C時，在

應力的作用下即能明顯地出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。當溫度在高于400C時，即使應力不大,

也要出現(xiàn)較大速率的蠕變。合金鋼的溫度超過400~450℃時，在一定的應力作用

下，就會發(fā)生蠕變、溫度愈高，蠕變現(xiàn)象愈明顯。高溫高壓火電廠中產生蠕變

的部件較多，如主蒸汽管道、鍋爐聯(lián)箱、汽水管通、高溫緊固件、汽輪機汽缸

等。

由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過量的塑性變形而不能使用，或者蠕

變進入到了加速發(fā)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴

重事故。所以，對于長期運行的高溫部件，要進行嚴格的蠕變監(jiān)測。當然，一

些部件在工作中出現(xiàn)一些塑性變形還是允許的，只要它們在整個工作期限內（例

如10萬小時），由于蠕變所累積的塑性變形量不超過允許值即可。例如，一般

規(guī)定主蒸汽管道、高溫蒸汽聯(lián)箱經(jīng)10萬小時運行后，總變形量不超過1%;汽

輪機汽缸10萬小時后的總變形量不超過0.1%；鍋爐的合金鋼過熱器管和再熱

管，當蠕變脹粗大于2.5%時，即行更換；鍋爐的碳鋼過熱器管和再熱器管，當

蠕變脹粗大于3.5%時，即行更換。

4.交互損傷

實際損傷往往有多種影響因素，因此破壞形式往往是復雜的，如：腐蝕疲勞

損傷、蠕變疲勞損傷等。

二、失效與失效分析

1.失效的概念

由于承載能力下降（含壽命損耗）或載荷增大，喪失了原來的承載能力從而

不能正常工作，稱為失效。失效包括開裂、泄漏、爆炸、過度變形、失穩(wěn)、材

料性能劣化（材質劣化）等。失效也可以表述為當構件的抵抗能力小于外界的

破壞推動力時發(fā)生的異常行為或結果。

2.失效分析的意義

分析失效原因的意義：

（1）分清責任（設計、制造、使用、檢驗等）

（2）修復、糾正、改進，防止重復發(fā)生

（3）促進科研和技術進步

3.失效分析的基本思路

（1）承載能力方面：承載能力下降，抵抗能力下降，原因包括：厚度減薄

（腐蝕等），材料性能下降（如氫損傷、蠕變、壽命損耗、珠光體球化、滲碳體

石墨化等），結構不合理，溫度過高，焊接缺陷，外傷，形狀超差等均會引起結

構承載能力下降。

（2）外載荷方面：載荷增大，破壞推動力增大，如：壓力過大，溫度過高,

震動，壓力脈動，地震，管道的漂移，地基下沉或上凸，偶然事件等均會引起

推動力增大，造成失效。

4.破壞種類及特征

（1）按照原因分類：

腐蝕破壞：腐蝕、沖蝕減薄，應力腐蝕等

疲勞破壞：交變載荷作用

蠕變破壞：高溫、長時、承載

其他破壞：設計不合理或制造焊接質量不良造成的破壞等。

（2）按照破壞時宏觀變形量的大小分為：韌性破壞和脆性破壞。

（3）按照破壞時材料的微觀斷裂機制：韌窩斷裂、解理斷裂、沿晶脆性斷

裂和疲勞斷裂等。

（4）工程常用分類：韌性破壞、脆性破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、蠕變破

壞和其他形式的破壞。

實際的破壞形式往往是幾種形式的混合，可能會以一種為主。

5.韌性破壞

一般指韌性材料或材料在韌性狀態(tài)下的超壓破壞。

破壞過程：過壓產生彈塑性變形——產生微裂紋或空洞生長——裂紋擴展、

空洞聚集一一斷裂（失穩(wěn)擴展）

裂紋核來源：微裂紋，夾雜物等。

韌性破壞的特征：

（1）變形明顯，形狀改變明顯；

（2）一般無碎片（材料韌性好）；

（3）爆破壓力容易計算且與理論值接近；

（4）斷口灰暗，無金屬光澤；斷口通常有剪切唇。顯微分析一般為韌窩花

樣。

（5）一般可以通過人字紋尋找起裂點。

圖2.37鋼板的斷口表面，顯示充分發(fā)展的人字形標志.往回指向裂紋的起源（在左邊），

那里夾有一個小的纖維區(qū)。這是一個高速斷裂（引自MetalsHandbook］以）

33.26折口笈效照片展示片R否記.*(C)=0.10%.

w(<?)=0.02%,v(Mr/=0.*v；P)-0.032%.w(5)-a024%以及U3.31西UE兇現(xiàn)片顯示剪切渤窗

w(\)=0.00.3%：試樣帶有塊U.三穹提殺么(弓自Her叮EHgto皿二)、《04|0MetalslUndbock011bj娓聲《懈1血Klinj加空

韌性破壞的例子——氣瓶爆炸

韌性破壞的預防：

（1）防止超壓（壓力過大或安全裝置失靈等）

（2）防止和即使發(fā)現(xiàn)腐蝕減?。ㄔO計、定期檢驗）

（3）防止材料錯用

6.脆性破壞

在沒有明顯塑性變形和較低壓力下的突然破壞。一般原因是材料有嚴重缺陷

和材料韌性嚴重不足。

材料的脆性及影響因素：

（1）當溫度降低到小于材料的無延性轉變溫度及以下時，材料韌性急

劇下降，缺口敏感性加大。

（2）影響材料脆性的因素：應力狀態(tài)、溫度、加載速度、厚度（應力

狀態(tài)）、晶粒度、化學成分（C、N、O、H、S、P）

（3）環(huán)境溫度、介質溫度、液態(tài)介質閃蒸等造成溫度下降。

（4）大量的脆性破壞往往是因為構件內存在嚴重缺陷。如裂紋等面狀

缺陷。研究裂紋缺陷對構件影響的學科——斷裂力學。

脆性破壞的特征

（1）無明顯塑性變形

（2）破壞時的應力水平較低

（3）往往有碎片，裂口呈放射狀

（4）很多在溫度較低時發(fā)生

（5）斷口特征：斷口平齊，一般與最大主應力方向垂直；有金屬光澤;

往往為解理斷裂；若因為缺陷造成，通過人字紋查找原始缺陷。

圖3.22解理斷口表面的例了

狹，于沖擊破壞（引自Henn-andHorsUnunn1；,）也”整金掣.究

a）鐵，-196℃沖擊破壞b）30%Cr焊縫金屬，羽毛狀

c)攣晶造成裂紋擴展方向不同d)0.5%Mn鋼銷釘攣晶解理斷面

脆性破壞的防止：

(1)發(fā)現(xiàn)并消除缺陷一一加強檢驗

(2)消除焊接殘余應力

(3)正確選用材料，保證有足夠的韌性

(4)避免應力集中

7.腐蝕破壞

腐蝕的危害：

(1)腐蝕會使容器整體或局部壁厚減薄，承載能力下降、造成破裂。

(2)腐蝕會造成危害性極大的裂紋，造成容器的裂穿泄漏、嚴重時會造成

突然破裂或爆炸。

腐蝕破壞的種類

(1)全面腐蝕

(2)局部腐蝕(點蝕、縫隙腐蝕、磨損腐蝕、大氣銹蝕)

(3)晶間腐蝕

(4)應力腐蝕與應力腐蝕開裂

(5)腐蝕疲勞

(6)氫損傷(氫鼓包、氫脆、脫碳、氫腐蝕等)

8.疲勞破壞

構件長期受到反復加壓和卸壓的交變載荷作用出現(xiàn)的破壞形式：交變應力一

裂紋成核f擴展一斷裂。

高應力和反復性是造成疲勞破壞的基本原因，在承壓類特種設備上通常表現(xiàn)

為低周疲勞。

疲勞破壞的特征

發(fā)生部位：應力集中位置，有類裂紋缺陷位置。

變形?。簾o整體塑性變形，無直徑增大、壁厚減薄。

斷口形貌

(1)分區(qū)明顯：裂紋產生區(qū)、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)

(2)斷口平齊、光亮，有疲勞輝紋。

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