VDI 3822 Blatt 1 4-2011 Failure analysis - Failures caused by thermal loading.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEURESchadensanalyseSchdendurch thermische BeanspruchungenFailure analysisFailures caused by thermal loadingVDI 3822Blatt 1.4 / Part 1.4Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch WerkstofftechnikVDI-Handbuch Fabrikplanung und -betrieb, Band 1: Betriebsberwachung/Inst

2、andhaltungVDI-Handbuch Produktentwicklung und KonstruktionVDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 3: Verfgbarkeit/SchadensanalyseVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V

3、.,Dsseldorf 2011Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 03.100.40, 77.040.01 Oktober 2011 October 2011The German version of this guideline shall be taken as authorita-tiv

4、e. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Frhere Ausgabe: VDI3822Blatt 4:1999:0612.08Entwurf, deutschFormer edition: VDI 3822 Part 4:1999-0612/08Draft, in German onlyVDI-Gesellschaft Materials Engineering (GME)Fachbereich WerkstofftechnikInhalt SeiteVorbemerkung . . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Schadensarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 3bersicht zu Tabelle 1 . . . . . . . . . . . . . . 44 Erscheinung

6、sbilder von Schden durch thermische Beanspruchungen. . . . . . . . . 40Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7、32 Abbreviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Types of failure . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Overview of Table 1. . . . . . . . . . . . . . . 44 Appearances of failures caused by thermal stress . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59B

8、55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 2 VDI 3822 Blatt 1.4 / Part 1.4VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.A

9、lle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.d

10、e), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDurch Schadensanalysen sollen die Ursachen fr das Versagen von Werkstoffen und Bauteilen aufgedeckt werden. Die sich hieraus ergebenden Erkenn

11、tnisse bil-den die Grundlage gezielter Manahmen zur Scha-densabhilfe und -verhtung. Eine der Hauptaufgaben der Schadensanalyse ist die Auswahl geeigneter Unter-suchungsverfahren und die wissenschaftlich fundierte, zusammenfassende Auswertung der Einzelergebnisse. Demnach ist der Zweck der Richtlinie

12、nreihe: Begriffe zu definieren, Schadensarten einheitlich zu benennen und zu be-schreiben, die systematische Vorgehensweise bei einer Scha-densanalyse zu ermglichen und Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Untersuchungsstellen zu gewhrleisten und damit Voraussetzungen zur Dokumentation zu s

13、chaffen.Die werkstoffbergreifende Richtlinie VDI 3822 be-handelt Grundlagen und den Ablauf einer Schadens-analyse. In den folgenden Blttern werden die verschiedenen Schadensarten, die Schadenserscheinungen, die Schadensursachen und die Schadensablufe be-schrieben:Blatt 1.x Schden an metallischen Pro

14、duktenBlatt 2 Schden durch mechanische Beanspru-chungenBlatt 2.1.x Schden an thermoplastischen Kunst-stoffproduktenBlatt 2.2.x Schden an ElastomerproduktenBlatt 3 Schden durch Korrosion in ElektrolytenBlatt 5 Schden durch tribologische Beanspru-chungenAlle Bltter der Richtlinienreihe gelten jeweils

15、nur in Verbindung mit VDI 3822.Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in dat

16、a processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tribu

17、tors to this guideline.IntroductionFailure analysis is used as a mean of identifying the causes of the failure of materials and components. The findings from these form the basis of specific ac-tions to provide failure correction and prevention. One of the main tasks of failure analysis is to select

18、 appropriate investigation processes and the scientifi-cally based summary evaluation of individual results. According to this, the purpose of the series of guide-lines is: to define terms, to identify and describe types of failure in a con-sistent way, to permit a consistent approach to failure ana

19、lysis and to ensure the comparability of the results from various investigative bodies, thereby meeting re-quirements for documentation.The guideline VDI 3822, which applies to a number of different materials, deals with fundamental ques-tions of failure analysis procedures.The various types of fail

20、ure, occurrences of failure, causes of failure and failure sequences are described in the following parts: Part 1.x Defects of metallic productsPart 2 Failures caused by mechanical working conditionsPart 2.1.x Defects of thermoplastic productsPart 2.2.x Defects of elastomer productsPart 3 Failures c

21、aused by corrosion in electro-lytesPart 5 Failures caused by tribology working conditionsAll parts of the series of guidelines are only applica-ble in association with VDI 3822 Part 1.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure

22、e.V., Dsseldorf 2011 VDI 3822 Blatt 1.4 / Part 1.4 3 Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3822.1 AnwendungsbereichIn dieser Richtlinie sind Schden beschrieben, die durch thermische Beanspruchungen entstehen kn-nen. Dabei sind sowo

23、hl die Auswirkungen von Ge-fgenderungen, Dehnungen und Spannungen auf-grund reiner Temperatureinflsse als auch die Aus-wirkungen mechanischer oder korrosiver Beanspru-chungen bei hheren Temperaturen auf Werkstoffe und Bauteile erfasst.2 AbkrzungenIn dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhr

24、ten Abkrzungen verwendet:HCF High-Cycle Fatigue LCF Low-Cycle Fatigue REM Rasterelektronenmikroskop WEZ Wrmeeinflusszone3 SchadensartenDie Schadensarten werden in Tabelle 1 nach ein-heitlichem Schema beschrieben. Dabei ist versucht worden, die charakteristischen Merkmale der Scha-denserscheinung, di

25、e Voraussetzungen fr den Scha-denseintritt und den Schadensablauf zu erfassen. Die Aufstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollstndig-keit.Die Liste der Schadensarten orientiert sich an den in der Praxis auftretenden Schden und ihren Bezeich-nungen. Die beschriebenen Schden mssen nicht zum Versagen d

26、es Bauteils fhren, beeintrchtigen jedoch seine Funktionsfhigkeit. Deshalb werden Risse und Brche zu einer Schadensart zusammenge-fasst.Da sich Warmbrche hufig nur wenig von Brchen bei Raumtemperatur unterscheiden, wird bei ihnen gegebenenfalls auf die Angaben in der Richtlinie VDI 3822 Blatt 2 verwi

27、esen.Risse, die im Zusammenhang mit dem Schweien entstehen, knnen noch wesentlich weiter unterteilt und charakterisiert werden, wie es z. B. in DIN EN ISO 6520 geschieht.A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3822.1 ScopeIn this

28、guideline failures are described, that can orig-inate from thermal stresses. Not only the effects of structural changes, expansion and stresses that clearly result from the effects of temperature, but also the effects of mechanical or corrosive loads at higher temperatures on materials and component

29、s are in-cluded. 2 AbbreviationsThe following abbreviations are used throughout this guideline:HCF high-cycle fatigueLCF low-cycle fatigueSEM scanning electron microscopeHAZ heat affected zone3 Types of failureTypes of failure are described in Table 1 in a con-sistent pattern. An attempt has been ma

30、de here to in-clude the characteristic features of failure occur-rences, the conditions for failure occurrence and the failure development. The list makes no claim to be complete. The list of types of failure is based on failure that oc-curs in practice and the designations used for such failure. Th

31、e failure described must not lead to the malfunction of a component, but must interfere with its operational capability. Therefore, cracks and frac-tures have been combined to form a single type of failure.Because heat fractures of often only slightly different from fractures at room temperature the

32、 information in guideline VDI 3822 Part 2, is used for reference pur-poses.Cracks that develop in connection with welding can be subdivided and characterized to an even greater extent, as in DIN EN ISO 6520. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten

33、Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 4 VDI 3822 Blatt 1.4 / Part 1.4bersicht zu Tabelle 11.1 Hochtemperaturbruch . . . . . . . . . . . 61.1.1 Hochtemperaturgewaltbruch . . . . 6 1.1.1.1 Hochtemperatursprdbruch . . . . 61.1.1.2 Hochtemperaturzhbruch . . . . . 61.1.1.3 Zeitstandbruch . . .

34、 . . . . . . . . 81.1.2 Schwingbruch unter wechselnder mechanischer Beanspruchung bei erhhter Temperatur . . . . . . . . 81.1.2.1 LCF-Warmschwingbruch . . . . . 81.1.2.2 HCF-Warmschwingbruch . . . . . 81.2 Rissbildung infolge thermischer Beein- flussung (Vernderung) des Gefges . . . 10 1.2.1 Heiriss

35、 . . . . . . . . . . . . . . 101.2.1.1 Erstarrungsriss . . . . . . . . . . . 101.2.1.2 Wiederaufschmelzriss . . . . . . . 101.2.2 Rissbildung im Zusammenhang mit Schweieigenspannungen . . . 101.2.2.1 Schrumpfriss . . . . . . . . . . . . 101.2.2.2 Terrassenbruch . . . . . . . . . . . 101.2.2.3 Relaxa

36、tionsriss . . . . . . . . . . . 121.2.3 Temperaturwechselriss. . . . . . . 121.2.4 Schleifriss . . . . . . . . . . . . . 121.2.5 Hrteriss . . . . . . . . . . . . . . 121.2.6 Lotriss . . . . . . . . . . . . . . . 121.3 Warmverformung (Deformation) . . . . . . 141.3.1 Bleibende Dehnung (Verlngerung) 1

37、41.3.2 Bleibende Stauchung (Verkrzung) 14 1.3.3 Aufweitung. . . . . . . . . . . . . 141.3.4 Beulung (Stabilittsfall; Ausbeu- lung an Rohren wie bei 1.3.3) . . . 141.3.5 Verzug, Verwerfung . . . . . . . . 141.3.6 Aufschmelzung (Anschmelzung) . 141.4 Korrosive Schdigungen. . . . . . . . . . . 161.4.1

38、Anlaufen . . . . . . . . . . . . . . 161.4.2 Verzunderung (Hochtemperatur- oxidation) . . . . . . . . . . . . . 161.4.3 Oxidation von unlegierten und niedriglegierten Sthlen durch Heidampf oder Heiwasser . . . . 161.4.4 Korrosion durch heie Verbrennungsgase . . . . . . . . . 161.4.5 Korrosion durch

39、heie Verbren- nungsgase und Salzschmelzen . . . 181.4.6 Angriff durch Metallschmelzen . . 181.4.6.1 Korrosion durch Metallschmelzen . . . . . . . . . . 181.4.6.2 Lotbruch . . . . . . . . . . . . . . 18Overview of Table 11.1 High-temperature fracture. . . . . . . . . . 241.1.1 High-temperature fractu

40、re caused by mechanical over-loading . . . . 241.1.1.1 High-temperature brittle fracture . . 241.1.1.2 High temperature ductile fracture . 241.1.1.3 Creep fracture. . . . . . . . . . . . 261.1.2 Fatigue fracture through cyclic mechanical loading at high temperature . . . . . . . . . . 261.1.2.1 LCF-

41、heat fatigue fracture. . . . . . 261.1.2.2 HCF-heat fatigue fracture . . . . . 261.2 Crack formation as result of thermal influences on (alterations to) the microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . 281.2.1 Hot crack . . . . . . . . . . . . . . 281.2.1.1 Solidification crack . . . . . . . . . 2

42、81.2.1.2 Liquation crack . . . . . . . . . . . 281.2.2 Crack formation in conjunction with weld residual stresses . . . . . 281.2.2.1 Shrinkage crack. . . . . . . . . . . 281.2.2.2 Lamellar tearing . . . . . . . . . . 281.2.2.3 Stress relief crack . . . . . . . . . . 301.2.3 Cracking caused by therm

43、al cycling 301.2.4 Grinding crack . . . . . . . . . . . 301.2.5 Hardening crack . . . . . . . . . . 301.2.6 Liquid metal cracking . . . . . . . 301.3 High temperature deformation . . . . . . . 321.3.1 Positive residual strain (elongation) 321.3.2 Negative residual strain (compression). . . . . . . .

44、 . . . . . 321.3.3 Swelling. . . . . . . . . . . . . . . 321.3.4 Bulging (stability problem; loss of roundness with pipes, as for 1.3.3) . 321.3.5 Distortion, wraping . . . . . . . . . 321.3.6 Liquation (incipient melding) . . . 321.4 Corrosive failure . . . . . . . . . . . . . . . 341.4.1 Heat tint

45、ing . . . . . . . . . . . . . 341.4.2 Scaling (high-temperature oxidation) . . . . . . . . . . . . . . 341.4.3 Oxidation of unalloyed and lowalloy steels by steam or hot water . . . . 34 1.4.4 Corrosion by hot exhaust gases. . . 34 1.4.5 Corrosion by hot exhaust gases and liquid salts . . . . . . .

46、. . . . 341.4.6 Attack by liquid metals . . . . . . . 361.4.6.1 Corrosion by liquid metals . . . . . 36 1.4.6.2 Solder cracking . . . . . . . . . . . 36B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 3822 Bl

47、att 1.4 / Part 1.4 5 1.4.7 Metal Dusting“ . . . . . . . . . . 181.4.8 Metallbrand . . . . . . . . . . . . 181.5 Funktionsstrung durch Ablagerungen. . . 18 1.5.1 Kesselstein, Wasserstein . . . . . . 181.5.2 Versalzung . . . . . . . . . . . . . 201.5.3 Kieselsurebelge . . . . . . . . . 201.6 Schdigung

48、 durch Diffusionsvorgnge . . 201.6.1 Eindiffundieren von Stoffen aus der Umgebung . . . . . . . . . . . 201.6.1.1 Schwefelschdigung (Sulfidation) . 201.6.1.2 Aufstickung (Nitrierung). . . . . . 201.6.1.3 Aufkohlung (Carborierung) . . . . 201.6.1.4 Hydridbildung . . . . . . . . . . . 201.6.1.5 Wasser

49、stoffkrankheit“ (Werkstoff: Cu). . . . . . . . . . . 201.6.2 Ausdiffundieren von Elementen aus Stahl . . . . . . . . . . . . . . 221.6.2.1 Entkohlung . . . . . . . . . . . . . 221.6.2.2 Entchromung. . . . . . . . . . . . 221.4.7 Metal dusting . . . . . . . . . . . . 361.4.8 Metal burning . . . . . . . . . . . . 361.5 Functional impairment through scaling and deposit formation . . . . . . . . . . . . 361.5.1 Boiler scale, crud . . . . . . . . .