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一条油气管道的爆炸、一个阀门的开裂或螺栓的断裂都会影响到设备的持续服役、国家的财产甚至人身安全。无论是人工误操作、运行因素还是设计缺陷,都能够根据失效分析辨识失效的根源,从而作出正确的维护措施,避免将来有更多类似的失效发生。
金属材料断裂的失效模式和常用的分析方法有哪些?
失效模式
设计不当,材料缺陷,铸造缺陷,焊接缺陷,热处理缺陷
常用手段
(1)金属材料微观组织分析:
金相分析
X射线相结构分析
表面残余应力分析
金属材料晶粒度
(2)成分分析:
直读光谱仪、X射线光电子能谱仪(XPS)、俄歇电子能谱仪(AES)等
(3)物相分析:
X射线衍射仪(XRD)
(4)残余应力分析:
x光应力测定仪
(5)机械性能分析:
万能试验机、冲击试验机、硬度试验机等
分析思路及分析步骤:
(1)现场勘查
现场勘查过程中不仅能够获得失效件所处的工况环境,还能够获得失效件在整个工艺流程中的相对位置,以及失效部件和碎片的尺寸大小、形状等。
(2)视觉评估
许多失效件会在表面留下特有的痕迹,此时依据经验可以首先在低倍观察设备下检查失效件的表面,通过表面的遗留痕迹可以快速判断发生了什么,以及如何避免再发生。
(3)无损检测
无损检测技术包括射线检测、磁粉探伤、超声检测、漏磁检测、红外检测、声发射检测等,可以在不破坏金属材料的前提下获得材料的裂纹、腐蚀等信息。
(4)破坏性测试
失效部件上或残留物上具有说服力的位置和尺寸是非常有限的,制取样品前应制定周密的样品切割计划,以免丢失失效件的关键部位。
a、金相测试
显微组织能够揭示材料最初的制造过程,并且裂纹的形状、扩展方式和扩展范围或者腐蚀形貌能够帮助辨识失效的原因。
b、力学测试
拉伸测试、冲击测试、疲劳测试等测试结果可以反应材料的历史特性,并且和其他测试结果一起诠释复杂的失效过程。
c、扫描电镜
微观观察技术使用扫描电子显微镜(SEM)在100倍~10000倍下观察失效表面形貌,以EDS能谱测试辅助对失效件表面的腐蚀产物进行定量分析。必要的情况下可以使用X射线衍射技术对腐蚀产物进行定性测试与分析。
案例分析:
以一只M20×80的8.8级高强螺栓为例,它的重量只有0.2公斤,而它的最小拉力载荷是20吨,高达它自身重量的十万倍,一般情况下,我们只会用它紧固20公斤的部件,也只使用它最大能力的千分之一。即便是设备中其它力的作用,也不可能突破部件重量的千倍,因此螺纹紧固件的抗拉强度是足够的,不可能因为螺栓的强度不够而损坏。
螺栓的断裂不是由于螺栓的疲劳强度:
螺纹紧固件在横向振松实验中只需一百次即可松动,而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次。换句话说,螺纹紧固件在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了,我们只使用了它大能力的万分之一,所以说螺纹紧固件的松动也不是因为螺栓疲劳强度。
螺纹紧固件损坏的真正原因是松动:
螺纹紧固件松动后,产生巨大的动能mv2,这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备,致使紧固件损坏,紧固件损坏后,设备无法在正常的状态下工作,进一步导致设备损坏。
受轴向力作用的紧固件,螺纹被破坏,螺栓被拉断。
受径向力作用的紧固件,螺栓被剪断,螺栓孔被打成橢圆。
选用防松效果优异的螺纹防松方式是解决问题的根本所在:
以液压锤为例。GT80液压锤的重量是1.663吨,其侧板螺栓为7套10.9级M42螺栓,每根螺栓的抗拉力为110吨,预紧力取抗拉力一半计算,预紧力高达三、四百吨。但是螺栓一样会断,现在准备改成M48的螺栓,根本原因是螺栓防松解决不了。
螺栓断裂,人们最容易得出的结论是强度不够,因而大都采用加大螺栓直径强度等级的办法。这种办法可以增加螺栓的预紧力,其摩擦力也得到了增加,当然防松效果也可以得到改善,但这种办法其实是一种非专业的办法,它的投入太大,收益太小。
总之,螺栓是:“不松不断,一松就断。”
注:案例来源:鹰眼研究
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