材料断裂理论与失效分析知识点.docx

作业：（8）航空发动机涡轮盘-叶片结构♦材料为镣基高温合金，为什么？♦服役环境的要素有哪些？♦有可能发生的失效类型是什么？♦如何设计实验确定失效的类型？♦改进的建议和措施一. 涡轮叶片的材料涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键所以对涡轮叶片材料就有更高的要求涡轮叶片的材料一般选择镣基高温合金镣基合金就是以镣为基础，加入其他的金属，比如鸨、钻、钛、铁等金属，做成以镣为基础的合金有的镣基高温合金含镣量达到70就右，其次Cr含量也比较高其性能主要有：1. 物理性能具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性耐腐蚀性镣基合金由于含Cr,在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镣同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气氛2. 机械性能镣基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能3. 高温特性高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性4. 热处理及加工、焊接性。

高温镣基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等高温镣基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工电弧焊总的来说，镣基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役所以涡轮叶片的材料选择高温镣基合金二. 涡轮叶片的服役环境涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有：不均匀的高温条件下工作涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720C-1120C,其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣1. 高转速条件下工作涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力2. 高应力和复杂应力条件下工作涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。

3. 受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na,V,S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻三. 可能发生的失效类型根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种1. 正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化导致的主要失效形式是蠕变失效，但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变失效、蠕变一疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效2. 非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式总的来说，涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等四. 设计实验确定失效的类型1. 疲劳失效金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；弓I起疲劳断裂的应力一般很低，端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。

典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域2. 蠕变失效蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加，最后发生断裂明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征，在端口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象另一个特征是高温氧化现象，在端口表面形成一层氧化膜沿晶断裂截面上可以清楚地看到局部晶间的脱开及空洞现象，端口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物3. 过载断裂金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征，其宏观端口与拉伸试验端口极为相似过载断裂的微观特征为塑性变形痕迹及穿晶断裂特征4. 实验确定失效类型1) 失效产品直观检查首先直观检查叶片，寻找首断件，并确定叶片断口的位置，观察断口的颜色，是否有其他的金属飞溅物，是否存在氧化膜观察断口附近是否有明显的塑性变形，是否存在严重的掉快现象2) 宏观分析用扫描电镜观察端口的宏观形貌特征，找出裂纹源的位置，确定初裂纹的位置，并确定裂纹的扩展方向；观察断口表面的条纹花样，观察是否存在明显的疲劳源区(通常出现在构件表面)、扩展区(弧线、人字纹)、瞬断区(高塑性为纤维状，脆性为晶粒状或放射状)，并确定断裂区于疲劳源区的相对位置；观察外围是否存在剪切唇。

大致确定叶片的失效类型3) 微观分析用电子显微镜观察端口的微观形貌特征，寻找是否存在条状花样，尤其是疲劳辉纹即具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相间且互相平行的条状花样观察是否存在塑性变形痕迹，并确定断裂为穿晶断裂还是沿晶断裂4) 相结构分析用X-射线衍射XR肉析断口附近的相组成，并与叶片原材料镣基合金中的相结构进行对比，根据新生相或含量发生很大变化的相分析断口附近在断裂时或断裂前发生的变化从而更加准确的推断断裂失效类型5) 应力分析用X-射线应力仪分析断口及附近的应力状态，并分析断裂时的应力状态，从而更好地区分过载断裂与疲劳断裂和蠕变断裂，并可以用于区分为疲劳断裂的哪一种类型6) 热损伤分析用硬度仪对叶片断口及附近进行硬度测量，并结合前面测出的断口附近的相组织，对叶片的超高温状态进行评价，分析叶片是否存在超高温过热迹象通过对以上几步的结果进行综合分析，基本可以确定涡轮叶片的断裂失效类型五. 改进的建议与措施涡轮叶片材料目前航空发动机涡轮叶片使用的材料主要是以镣、钻、铁为基的合金，其熔点在1800K&右但为了为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能，主要的措施是采用更高的燃气温度，这就使得涡轮叶片的工作环境更为苛刻。

为了更好的使涡轮叶片适应更高的要求，可以加快研发采用耐热性更高的锭或钳基合金并且可以在涡轮叶片的材料表面涂覆耐热性很高的陶瓷材料保护结构优化设计1)对涡轮盘和涡轮叶片的形状进行优化，减少涡轮旋转的摩擦与阻力，降低涡轮工作时的应力应变脉动2)采用拓扑优化的空心涡轮盘，可以有效的降低涡轮质量从而达到不需要太大提高燃气温度而提高发动机性能的目的3)优化涡轮盘及涡轮叶片，改变其固有频率，使固有频率与涡轮工作时的振动频率相差较远，降低振动对涡轮的影响4)采用更有效的冷却系统，这可以有效的降低涡轮叶片的工作温度，延长涡轮叶片的寿命，并且可以提高燃气的进口温度，增加涡轮发动机的性能工艺优化设计采用合理的制作工艺和成形工艺，使涡轮盘及叶片获得组织致密均匀的细小组织，可以极大的提高涡轮的工作性能1)采用先进的制备工艺：先进的铸锻变形工艺一一提高了坯件的质量与塑性；粉末冶金工艺一一提高了热加工性能和合金屈服强度及疲劳性能等综合力学性能；喷射成形工艺一一获得整体致密、成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料坯件2)采用先进的成形技术：等温超塑性锻造成形一一加工余量小，表面完整，组织均匀；接近等温变形条件的涡轮盘锻造一一提高高温塑性；直接热等静压成形一一以最小的加工余量成形接近零件最终形状的半成品。

零件失效分析方案设计实验原理1. 材料常见的失效形式及其判断方法；2. 材料典型断裂失效断口的形貌及其特征；3. 断口分析技术；4. 裂源及裂纹扩展方向的判别；5. 力学性能测试技术失效分析⑴选择失效零部件，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位⑵调查零部件的服役条件和失效过程⑶查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料3.5:收集资料：该零件在相同、不同工作条件下的实效形式，观察断口情况，统计相关信息；对本零件的实效可能性做出几种假设，在以后实验中留意相关证据，验证假设是否正确PS：有点类似人工智能的推理模式)⑷试验研究实验方法与步骤1、对整个零件进行检查，包括(1) 断裂形式、部位及塑性变形情况，并注意裂纹源区；(2) 有无腐蚀痕迹；(3) 有无磨损迹象；(4) 表面状况(有无机械损伤，颜色变化，氧化及脱碳现象)；(5) 原材料质量，加工缺陷等6) 注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设.PS:一定要在假设中做一条我们最后要得出的2、断口宏观分析用放大镜观察断口表面，主要内容有(1) 裂纹源与终止点；(2) 断裂面、裂纹扩展方向；(3) 断口附近的塑性变形情况；(4) 断口是否清洁光亮；(5) 断口结构特点、贝纹特征及终端区大小，(6) 注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设.PS:一定要在假设中做一条我们最后要得出的。

并拍照留据3、断口硬度检测在断口附近取若干个样本检测点，用洛氏硬度计进行硬度检测并与标准硬度值进行比较4、金相检测在断裂件上截取金相试样，经镶嵌、打磨和抛光，再用3%i肖酸酒精溶液侵蚀后在金相显微镜下进行显微组织观察5. 下结论：通过以上实验得出一个结论：对预防该类零件的实效提出建议：对本实验做一个总结：缺点和优点，值得改进与发扬的地方材料失效分析复习大纲一、材料失效分析总论1、失效定义：指产品(构件)因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到规定的功能2、失效的微观结构：原子的电子结构、原子间相互作用、原子团三维分布、显微组织形态3、失效的外观形态：局部腐蚀、局部磨损、过度变形、表面异物4、失效分析的内容(5项)：判定失效模式、界定失效缺陷、鉴定失效机理、确定失效起因、提出解决对策5、失效的五种模式：断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰减6、失效机理：是致使构件失效所发生的物理、化学的变化过程，即失效的微观机制比如：腐蚀模式下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等7、失效的影响因素：材料选用不适、结构设计欠妥、制造质量一般、安装方式不当、检测方法常规、组织性能劣化、维护过程疏漏、人员操作有误、工况介质复杂、外部环境变化、失效机理不明、防护措施简单、理制度不严(注意：考试时不要求全部列出，写出几种因素即可)8、失效分析的八个方面：设计、材料、制造、安装、检验、操作、维护、环境。

9、失效分析的主要步骤：(1) 现场检查：运行史、工艺流程、图纸核对、取样等；外观检测：断口(缺陷)宏观形态及异物等观察与分析；微观分析：断口(缺陷)的微观形貌观察与成分测定；性能检验：材料力学、物理、化学等性能的试验评定；环境评估：工况介质、异物等测试与评价；模拟试验：失效现象的再现和验证(按需进行)；事故结论：分析结果必须快速、正确；解决对策：治理方案应该简单、有效10、失效分析工作者应有的素质：(1) 品德高于技术：实事求是，客观公正，敬业负责；调查重于理。