失效分析技术及其应用：第十讲 蠕变断裂失效分析

在高温条件下加载的金属构件寿命一般是有限的。金属构件在高温环境下受应力的作用会产生连续应变,并由此引起蠕变。蠕变是在应力作用下出现的与时间有关的应变。经过一段时间后,蠕变可能以持久而结束,也叫蠕变断裂。 出现蠕变和持久失效时的温度、应力和时间条件与金属材料性质及其工作环境有关。因此,高温失效可能在一广泛的温度范围内出现。一般说来,任何金属构件出现蠕变的温度均高于其再结晶温度。 1 蠕变及其断裂 蠕变是指金属材料在恒应力长时间作用下而发生的塑性变形。蠕变可以在任何温度范围内发生,它可发生于从绝对零度起直到熔点为止的整个温度范围内;温度越高,蠕变速度越快,变形更为明显。一般情况下,金属材料的所谓“高温”起始于其绝对熔点温度的1/2,即0.5T_mK;若在0.5T_mK以上的条件下长时间工作的金属构件,如化工容器、锅炉管道、燃汽轮机及其它     

蠕变损伤失效概率模型的研究

利用灰色系统理论，把实验数据做累加处理后，使其变成更有规律的序列，从中找出较好的与温度的有关的拟合函数。以此为基础，本文提出以温度为基本变量的高温合金蠕变损伤模型，并且建立了相应的蠕变损伤失效概率模。     

以蠕变特性分析轿车油箱的失效原因

应用蠕变分析方法对某型轿车油箱总成中的油箱失效进行分析。取失效批次的汽车油箱加工成拉伸试样,在电子万能试验机上进行蠕变实验。得出了汽车油箱材料的蠕变实验数据和曲线,得出了汽车油箱材料应变与时间的变化规律,以三参数模型处理实验数据,得出了汽车油箱材料的蠕变方程。以材料的蠕变特性对轿车总成中的油箱失效原因进行分析。     

单晶高温合金的高温蠕变断裂

研究了ＮＡＳＡＩＲ１００单晶在铸态以及热处理的的组织及高温持久寿命。发现γ／γ＇共晶、富Ｗ相、显微疏松以及γ－γ＇等相界面处是形成蠕变空穴的场所。单晶合金的高温持久断裂过程是：蠕变空穴在温度和应力的联合作用下长大为韧窝，并通过撕裂棱连接起来。     

Ti-55511合金高温蠕变行为TEM分析

文章结合Ti-55511钛合金的高温工作环境进行了4组蠕变实验:400℃200MPa、400℃300MPa、500℃200MPa以及500℃300MPa。蠕变后,使用透射电镜实验观察了蠕变后样品的微观组织。结果表明:高温高应力状态下,位错攀移在蠕变过程中占主导地位;在高温低应力或低温高应力状态下,合金蠕变过程主导机制为位错滑移;当温度较低,应力相对较低时,合金蠕变过程中主导机制为晶界扩散机制。     

高压釜密封断裂分析

利用金相、扫描电镜和X射线能谱仪等手段,对35CrNi3MoVA钢制的密封环断裂进行了分析,装釜预紧力过大和在较恶劣和介质环境中工作,使其产生应力腐蚀,导致裂纹的萌生至断裂。     

某卡箍连接片断裂失效分析

通过宏观分析、扫描电镜及能谱分析、金相分析、化学成分分析、力学性能试验及受力分析等方法对卡箍连接片断裂失效原因进行了分析。结果表明:该卡箍连接片失效模式为高温蠕变断裂;导致其断裂的主要原因是装配条件下连接片承受的应力水平较高,在实际工作温度中存在较大的高温蠕变断裂风险;建议根据实际工况选用抗高温蠕变性能良好的材料。     

高温蠕变中的金相分维变化

对经高温持久强度试验的试样，沿其轴线拍摄一系列金相照片，用周积法测算出各自的维数，得出维数沿轴向的分布规律。从中发现，蠕变程度越严重的区域，其分形维数越小，在断裂的地方达到最小。在工程上，可以利用其分维最小值与平台区的分维来判断炉管的安全性。     

670t/h锅炉高温过热器管爆裂失效分析

某电厂1号锅炉的高温过热器在运行中发生爆漏。采用化学成分分析、宏观检验和显微组织分析等方法对爆管进行了分析；同时对爆管内壁氧化膜厚度的动态变化进行了测定，并以此来估算其当量温度，最后计算出剩余寿命。结果表明，过热器爆漏的原因是长期过热造成的。提出了预防措施。     

HK-40钢制氢转化炉炉管失效分析

采用宏微观观察和X射线分析方法对服役近4年并已爆裂的HK-40钢制氢转化炉炉管进行了失效分析。结果表明，炉管的开裂是从内壁诱发，裂纹特征为多裂纹脆性断裂，高温蠕变是炉管失效的主要原因，提出了炉管在使用过程中应注意的问题。     

碳／碳复合材料的高温蠕变研究

综述了外对碳／碳复合材料及碳纤维的高温的高温蠕变及蠕变机理的研究情况。     

IN738LC镍基高温合金高温蠕变疲劳性能研究

在对ＩＮ７３８ＬＣ合金的含保载低周疲劳试验中发现，蠕变变形的增加导致了疲劳寿命的降低，在对试样的微观检验中未见有典型晶界孔洞型蠕变损伤，而多见的碳化物及晶界的氧化，所有的裂纹都在试样表面萌生并沿着扩展，因此，在蠕变载荷下晶界氧化是一种可能的蠕变损伤，这里运用Ｄａｎｚｅｒ关系讨论了损伤的机理，并对实验结果进行了较理想的解释。     

高温蠕变裂纹扩展参量Q*(t)及其应用

针对C^*参数的不足，本研究修正Q^*并得到了一个新的蠕变裂纹扩展速率(CCGR)控制参数Q^*(t)。该参数综合了温度、应力场、激活能等影响因素，很好地表征了在不同应力或温度条件下蠕变裂纹扩展的特性。该参数能完整关联整个蠕变裂纹扩展的不同阶段，并从材料蠕变断裂的机制上反映了蠕变裂纹扩展的本质。     

锅炉省煤器高温段失效原因剖析

某锅炉省煤器高温段南侧爆管,剖析后找到了爆管原因,主要是局部超温使材质劣化,超温使腐蚀加速,超温使换热管过量变形等多种原因共同作用的结果,提出了改进措施.     

高温金属构件蠕变寿命预测的研究进展

概述了近年来已有高温金属构件蠕变寿命的预测方法及其特点。主要介绍了以持久强度实验外推为主的Larson-Miller法、Orr-Sherby-Dorn法和Robinson线性断裂法则;基于蠕变曲线分析的Omega法、θ投影法以及逐步外推法;基于物理机制的连续介质蠕变损伤模型(CDM)预测方法。通过对上述方法的比较和分析,最后指出基于CDM模型蠕变寿命预测方法由于其具有统一的数学表达形式,因而在预测高温金属构件蠕变寿命方面具有很大应用潜力。     

GH907合金疲劳蠕变和氢脆的显微分析

运用透射电子显微术分析研究了低膨胀高温合金ＧＨ９０７合金疲劳蠕变断裂试样和充氢试样的显微组织疲劳蠕变后合金显微组织发生了很大的变化，主要强人相γ变得没有规则，且片状ε相发生断裂；充氧后合我显微组织变化不大，使合金具有良好有抗氢脆的能力，但由于氢在晶界析出，晶界相与基体的结合力下降，合金的塑性，持久性能略有下降。     

典型金属材料高温蠕变剩余寿命评价方法

高温蠕变是影响金属结构失效的主要原因之一,而对金属材料高温蠕变寿命的评价则是工业安全生产的重要组成部分.文章介绍三类常用的蠕变寿命评价方法:持久强度实验外推法,微观组织分析法,超声波测定法,并对其原理、表征参数、国内外的研究进展、优缺点等方面进行了总结,认为综合运用这三类方法对高温蠕变状态评价及剩余寿命预测是当前采用的主要方式.最后,通过分析与比较,指出了非线性超声技术具有灵敏度高、在线无损检测等优点,是高温蠕变评价未来发展的重要方向.     

Ti600高温钛合金蠕变前后的组织变化

通过OM,TEM等对航空用近α高温钛合金Ti600试样蠕变前后的显微组织进行了观察研究,结果发现：随着蠕变条件的不同,硅化物粒子（Ti5Si3)和α2（Ti3Al)粒子有着不同程度的析出,而且合金的残留β相及次生α相也有相应的变化。在蠕变过程中,α3粒子的析出阻碍位错移动,强化了合金基体。稀土氧化物粒子（Y2O3）在蠕变前后比较稳定,其形貌和大小没有多大变化,粒子平均直径为0．6μm。还研究了600～650℃之间的蠕变试样,通过TEM观察得知,在650℃／150MTa/100h试验条件下,Ti600合金的组织形貌仍然没有大的改变。     

锅炉过热器异种钢管接头失效分析

神头二电厂过热器异种钢接头高温运行约 4× 10 4 h后 ,沿耐热钢HAZ发生了裂纹 .经手弧焊修补 ,运行一段时间后再次出现裂纹 .本文通过断口及金相分析表明 ,接头前期失效为蠕变失效 ,这可由耐热钢HAZ珠光体球化 ,碳化物聚集和碳迁移说明 ;接头后期失效为应力腐蚀失效 ,这可由存在的应力和含有Cl-的水蒸气共同作用导致 .另外 ,接头焊接缺陷引起应力集中 ,也加速了SCC的产生 .改进焊接工艺 ,采用镍基焊丝TIG焊的过渡接头可有效提高其蠕变强度和服役寿命 .