金属材料失效分析案例.ppt

材料失效分析案例漳平电厂1号机叶片断裂失效分析1、背景漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为：拆除5段围带及43片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损坏的2段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运行。2000年5月7日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加剧，揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个，部分围带脱落，第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照1998年4月大修记录，发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为严重，故把整个转子送到制造厂修复。为了找出叶片断裂的原因，我们开展了一系列的失效分析工作。2检查、试验
2.1宏观检查
检查发现丢落的19个叶片的断裂部位均位于叶片倒/形槽根部的横断面上（见图1），肉眼观察断口表面呈红褐色和灰褐色，有锈斑。断口平坦并分成两个区，其中大面积区呈光滑状，小面积区呈纤维状，个别断口几乎全部呈光滑状。拆卸时发现叶片根部装配较松，极易取下。
2。2断口微观检查
断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（10倍）观察，发现有典型的疲劳断裂特征，即有三个区域组成：疲劳源，疲劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤维区，其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图2为疲劳源和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到贝壳状条纹，这是疲劳断裂典型特征。进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段（见图3、4），这些线段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。此外，还能观察到裂纹的存在，且从源区向心部发展。在疲劳裂纹扩展区，则能观察到颗粒状脆性断裂特征（见图5）。断口开裂以穿晶断裂为主，无沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌。这说明快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂。2．3化学成分
分析损坏叶片取样分析结果见表1。从表1可以看出，损坏叶片材料的化学成分合格。2．4硬度测试
断裂叶片根部侧面布氏硬度测试结果见表2。表2表明，断裂叶片的硬度值略偏高，推测叶片材料的强度较高。2．5冲击试验3分析
(1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体，材料化学成分合格，主要性能指标也基本正常。
(2)叶片断裂部位在倒*形槽根部的横断面上，亦即在应力集中部位，是裂纹源萌生地，断口具有典型的疲劳断裂特征，裂纹扩展属穿晶走向。(3)叶片根部疲劳断裂与装配质量有关，高压转子叶片安装时通常要求根部紧配合，但裂断的第+级叶片根部却是松配合，遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部，根部与叶轮槽表面产生摩擦，从而使根部表层晶粒持续滑移带极易萌生裂纹，即产生疲劳源，随后裂纹不断扩展，最终造成根部疲劳断裂。
(4)断裂的19个叶片中，大部分断口都属于疲劳断口，这表明在叶片发生大面积断裂前，其根部已产生或大或小的疲劳裂纹，最后导致部分叶片先断裂，并引起其余叶片提前断裂。