金属构件失效分析（廖景娱）（第二版）

前言 
预测和防止机械失效是每一个机械工程技术人员最基本的任务。本教材主要介绍失效与失效分析的工程概念及相关基础理论知识。 
《金属构件失效分析》自讲义到教材使用至今已20多年。原讲义作为华南理工大学即将就业的机械工程类毕业生的选修课学习资料，后由化学工业出版社出版发行，被多所学校选作高年级本科生和低年级研究生的教材，也成为很多行业从事失效分析的工程技术人员的参考书。从2003年第一版第一次印刷，到2020年第一版第十次印刷，期间只对错别字及个别词汇作过勘校，未作统一修订。从教学效果和反馈信息来看，《金属构件失效分析》的目的基本达到了，感谢多年来使用本教材的师生和工程技术人员的认可。 
2020年秋化学工业出版社建议结合科技发展及教学需求对《金属构件失效分析》进行修订。经共同商讨，教材原编写人员对各自原编写内容认真勘校和补充；华南理工大学许华忠、马小明对修订工作进行全面协调并添加新案例；广州特种设备检测研究院洪文健负责查补新标准和参考资料；华东理工大学柳曾典教授对教材修订提出宝贵意见并提供相关参考资料，在此表示衷心感谢。 
鉴于编者水平，书中不妥之处在所难免，恳请各位读者批评指正。 

编者 
2022年7月 

第一版前言 
一个工业系统、一台装备，甚至一个构件或是一个小螺栓，一旦失效而不能执行原来规定的使用功能，就必须找出其失效的原因，并提出有效的对策，因而需要进行失效分析。本教材阐述金属装备及其构件失效与失效分析的工程概念及相关的理论知识。全书共分5章。第1章对金属构件失效及失效分析作概括性的介绍，以使教学双方有互相沟通的共同语言；第2章基础知识，仅补充金属学、断裂力学及腐蚀学中与失效分析密切相关的内容，可根据学生原有基础知识情况选学；第3章是本教材的重点，详细介绍金属构件常见的失效形式及其判断，对各种失效形式的失效现象、失效的特点、引起失效的原因及预防措施结合工程实践作尽可能详尽的介绍并展示实例；第4章是失效分析的方法和手段，包括思维方法、失效分析程序制订到具体失效分析全过程进行的各项工作，均按指导操作的叙述方式进行介绍，务求学者可以实践；第5章列举金属构件失效的案例，其中有部分是从书后所列参考文献摘录的，大部分是本教材编者进行的工作，可穿插在前几章学习中使用。 
本教材是在华南理工大学1993年12月出版的《金属设备失效分析》讲义的基础上，经五届四年级本科生及六届硕士研究生教学使用。近十年来，国内外相关专著陆续出版，给编者提供了学习和参照。编者博取各位专家学者及书后所列参考文献的科技精髓、学术观点和学习心得编写成本教材。本教材可作为机械装备、安全工程等相关专业的高年级本科生和初级研究生教材；同时可供大学毕业从事工业装备，尤其是锅炉压力容器安全监察、管理、检验的工程技术人员作培训教材；供有志从事失效分析工作的在职科研、检测人员和处理失效事故的管理人员作参考书。 
本教材共5章。第1章由廖景娱编写；第2章2.1节由梁思祖编写，2.2节由廖景娱编写，2.3节由刘钧泉编写；第3章3.2.4小节由梁思祖编写，3.4节由刘钧泉编写，其余由廖景娱编写；第4章4.1节至4.6节由梁耀能编写，4.7节、4.8节由刘钧泉编写；第5章共同收集失效实例，由刘凡永编成。全书主编廖景娱。本教材的编写自始至终得到华南理工大学刘正义教授、华东理工大学柳曾典教授、北京工业大学张亦良教授和上海材料研究所吴剑教授的支持和帮助。全书由刘正义教授审定。 
本教材的编写与出版得到了华南理工大学教务处、工业装备与控制工程学院、机械工程学院的指导和大力支持，在此表示深切的谢意。洪文健、张明霞、余红雅、李丽君等老师和同学为本书的资料收集、稿件校对、图片整理等做了许多工作；在校学习本课程的安全工程专业本科生和化工过程机械专业硕士研究生结合课程学习给教材初稿提出了勘误和意见，在此一并感谢。 
由于编者的知识和水平有限，书中不妥及错误之处，敬请读者提出宝贵意见。 

编者 
2003年8月 

无

1　概述1 
1.1 金属构件的失效及失效分析 1 
1.2 失效分析的意义 2 
1.2.1 促进科学技术的发展 2 
1.2.2 提高装备及其构件的质量 2 
1.2.3 具有高经济效益和社会效益 3 
1.3 金属构件的失效形式及失效原因 3 
1.3.1 金属构件的失效形式 3 
1.3.2 引起失效的原因 4 
1.4 失效分析与其他学科的关系 5 
1.5 失效分析的历史发展与国内外失效分析的状况 7 
1.5.1 失效分析的历史发展的三阶段 7 
1.5.2 国内外失效分析状况 7 
1.6 失效分析工作者的主要任务和应具备的基本素质 9 
复习思考题 9 

2　失效分析基础知识10 
2.1 金属构件中可能引起失效的冶金缺陷 10 
2.1.1 铸态金属组织缺陷 10 
2.1.2 金属锻造及轧制件缺陷 13 
2.1.3 夹杂物及其对钢性能的影响 16 
2.1.4 金属焊接组织缺陷 19 
2.1.5 钢铁热处理产生的组织缺陷 24 
2.2 力学计算基本概念 25 
2.2.1 传统强度理论及其适用范围 25 
2.2.2 断裂力学基本概念 29 
2.3 环境作用机理 38 
2.3.1 电化学反应 38 
2.3.2 高温氧化 42 
复习思考题 47 

3　金属构件常见失效形式及其判断49 
3.1 变形失效 49 
3.1.1 金属构件的弹性变形失效 49 
3.1.2 金属构件的塑性变形失效 51 
3.1.3 高温作用下金属构件的变形失效 53 
3.2 断裂失效 55 
3.2.1 断裂失效的分类 56 
3.2.2 韧性断裂 58 
3.2.3 脆性断裂 63 
3.2.4 疲劳断裂 68 
3.3 腐蚀失效 80 
3.3.1 腐蚀的类型 81 
3.3.2 均匀腐蚀 83 
3.3.3 点腐蚀与缝隙腐蚀 84 
3.3.4 晶间腐蚀 89 
3.3.5 电偶腐蚀 93 
3.3.6 氢腐蚀 96 
3.3.7 应力腐蚀开裂 98 
3.3.8 腐蚀疲劳 106 
3.4 磨损失效 107 
3.4.1 磨损的类型 108 
3.4.2 磨料磨损 108 
3.4.3 黏着磨损 111 
3.4.4 冲蚀磨损 114 
3.4.5 微动磨损 117 
3.4.6 腐蚀磨损 120 
3.4.7 疲劳磨损 124 
3.4.8 提高耐磨性的途径 126 
复习思考题 126 

4　失效分析的思路、程序和基本技能128 
4.1 失效分析思路和逻辑方法 128 
4.1.1 失效分析思路的重要性 128 
4.1.2 构件失效过程及其原因的特点 129 
4.1.3 失效分析思路的方向性及基本原则 130 
4.1.4 几种失效分析思路简介 132 
4.1.5 几种常用的逻辑推理方法 135 
4.2 失效分析的程序 136 
4.2.1 接受任务明确目的要求 136 
4.2.2 调查现场及收集背景资料 136 
4.2.3 失效件的观察、检测和试验 138 
4.2.4 确定失效原因并提出改进措施 139 
4.3 失效件的保护、取样及试样清洗、保存 140 
4.3.1 失效件的保护 140 
4.3.2 失效件的取样 140 
4.3.3 试样的清洗 140 
4.3.4 试样的保存 141 
4.4 常规测试技术 141 
4.4.1 测试技术选用原则 141 
4.4.2 化学成分分析 142 
4.4.3 力学性能测试 147 
4.4.4 金相检验 148 
4.4.5 无损检测 162 
4.4.6 残余应力测试 168 
4.4.7 物化性能测试 168 
4.5 失效分析的几种基本技能 171 
4.5.1 断口分析 171 
4.5.2 裂纹分析 173 
4.5.3 痕迹分析 176 
4.5.4 模拟试验 178 
4.6 电子显微镜研究法 179 
4.6.1 透射电子显微镜 179 
4.6.2 扫描电子显微镜 182 
4.7 腐蚀性能测试 184 
4.7.1 现场试验 185 
4.7.2 实验室试验 185 
4.8 磨损性能测试及仪器设备 190 
复习思考题 191 

5　失效分析实例193 
5.1 设计或材料因素为主引起的失效实例 193 
实例1 锅炉过热管蠕胀开裂 193 
实例2 醇胺贫富液换热器列管腐蚀穿漏 195 
实例3 常减压蒸馏装置常压塔上层塔盘及条阀应力腐蚀开裂 197 
实例4 钎杆的疲劳断裂 198 
实例5 电动凿岩机机芯齿轮脆性断裂 200 
5.2 制造因素为主引起的失效实例 201 
实例6 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂 201 
实例7 直馏柴油加氢反应器泡罩开裂 204 
实例8 950型轧钢机主传动轴断裂 206 
实例9 消声器轴向开裂 207 
实例10 斜拉桥钢索断裂 208 
实例11 304型不锈钢熔盐槽晶间腐蚀 210 
实例12 冷轧辊的热处理失效 212 
5.3 环境作用因素为主引起的失效实例 213 
实例13 不锈钢钢管爆裂 213 
实例14 催化裂化再生器壳体开裂 215 
实例15 矿浆泵磨损 216 
实例16 球磨机磨球疲劳磨损 217 
实例17 圆锥式破碎机衬板磨料磨损 220 
5.4 使用不当引起的失效实例 222 
实例18 味精结晶罐顶盖挡罩小圆环穿晶型应力腐蚀开裂 222 
实例19 废热锅炉壳体局部变形 224 
实例20 乙烯裂解炉炉管断裂 226 
实例21 氨冷凝器传热管腐蚀泄漏 228 
实例22 不锈钢混合机爆炸 230 
实例23 胺化反应釜应力腐蚀开裂 233 
5.5 其他原因引起的失效实例 235 
实例24 二氧化碳钢瓶应力腐蚀失效 235 
实例25 煤气发生炉水夹套鼓包分析 238 
实例26 净化装置中压废热锅炉减温器入口法兰密封垫开裂 240 

参考文献242

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