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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