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失效分析案例

某化工廠重催裝置主風機組突然出現(xiàn)主風機兩端軸承振動報警，停車拆開主風機后，發(fā)現(xiàn)損傷嚴重。有兩片第11級動葉發(fā)生斷裂；該級其它動葉頂端有嚴重的彎曲和磨損；第11級動葉對應的內(nèi)缸位置有刮痕。通過痕跡分析、顯微組織分析和斷口宏微觀分析，來判定葉片的斷裂原因。

1、痕跡分析

用丙酮擦拭發(fā)生斷裂的第11級動葉的榫頭側表面，并進行觀察，發(fā)現(xiàn)榫頭側表面靠近榫齒的區(qū)域有明顯的磨損痕跡，如圖4所示；

在另一片第11級動葉葉背面的榫頭處可以清晰的看到腐蝕污染痕跡。以上痕跡表明第11級動葉的榫頭和榫槽配合出現(xiàn)松動。

2、顯微組織檢驗

從斷裂的第11級動葉的榫頭底部切割金相試樣，打磨、拋光、腐蝕后在金相顯微鏡下觀察，顯微組織正常，為典型的馬氏體組織，如圖6所示。

3、斷口形貌

3.1  宏觀形貌

首先對斷口進行肉眼觀察，可以看出：葉片從榫頭的二級榫齒處斷裂，裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)約占整個斷面的90％，而瞬時斷裂區(qū)大約只占10％，如圖7所示。

然后利用體視顯微鏡（SZX12）和掃描電子顯微鏡（S5800）對斷口進行低倍觀察。斷口表面靠近源區(qū)的形貌如圖8所示，可見典型的疲勞弧線和疲勞溝線，說明該斷口為疲勞斷口；根據(jù)疲勞弧線的幾何形狀和疲勞溝線的收斂方向，可推測出疲勞源在“O”處（圖8），即在動葉進氣邊一側二級榫齒的上沿拐角處。

3.2  斷口微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡對斷口進行了微觀形貌觀察。圖9為圖8中“A”處附近的微觀形貌，未發(fā)現(xiàn)異常的特征。疲勞擴展區(qū)為典型的脆性疲勞條帶形貌特征，斷口表面腐蝕嚴重，如圖10所示。

4、斷裂原因分析

葉片斷口宏微觀分析表明：宏觀斷口平滑，有明顯的疲勞弧線和疲勞溝線（疲勞臺階）特征；在斷口的穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)有典型的脆性疲勞條帶特征?？梢栽\斷該斷口為疲勞斷口。

葉片疲勞斷口的擴展區(qū)所占比例很大，而瞬時斷裂區(qū)面積很小，說明疲勞裂紋擴展的推動力-疲勞擴展載荷較小；形成疲勞溝線則需要較高的應力，根據(jù)斷口源區(qū)的疲勞溝線特征，我們推斷疲勞裂紋的萌生應力較大。

顯微組織分析顯示材料組織正常，斷口源區(qū)形貌觀察也未發(fā)現(xiàn)異常，說明疲勞裂紋的萌生的主導原因不是材質(zhì)、腐蝕、缺陷等，也就是說，葉片的抗力沒有降低，只能是動力（載荷）過大導致疲勞裂紋萌生。

正常工況下，葉片榫頭與榫槽配合良好，拆卸后的葉片榫頭上不應有磨損、積碳等異常痕跡。然而，在第11級動葉榫頭側面上看到了明顯的磨損和腐蝕痕跡，據(jù)此，推測動葉的榫頭和榫槽間出現(xiàn)不應有的松動，引起機構異常振動，對于高速轉動的風機來說是非常危險的。

由于第11級動葉的榫頭和榫槽配合出現(xiàn)松動，導致動葉振動下傳，在進氣邊一側二級榫齒的上沿拐角處（有較大的應力集中）萌生振動疲勞裂紋，裂紋在交變振動應力的驅動下擴展，腐蝕介質(zhì)也起到了加速擴展的作用，疲勞裂紋擴展至臨界尺寸發(fā)生斷裂。

5、結論

（1）葉片的斷裂模式為振動疲勞。

（2）疲勞裂紋萌生的主要原因是：葉片榫頭和榫槽配合松動，導致振動下傳，非正常的振動應力導致了裂紋萌生。

失效分析檢測機構