失效分析案例

某化工厂重催装置主风机组突然出现主风机两端轴承振动报警，停车拆开主风机后，发现损伤严重。有两片第11级动叶发生断裂；该级其它动叶顶端有严重的弯曲和磨损；第11级动叶对应的内缸位置有刮痕。通过痕迹分析、显微组织分析和断口宏微观分析，来判定叶片的断裂原因。

1、痕迹分析

用丙酮擦拭发生断裂的第11级动叶的榫头侧表面，并进行观察，发现榫头侧表面靠近榫齿的区域有明显的磨损痕迹，如图4所示；

在另一片第11级动叶叶背面的榫头处可以清晰的看到腐蚀污染痕迹。以上痕迹表明第11级动叶的榫头和榫槽配合出现松动。

2、显微组织检验

从断裂的第11级动叶的榫头底部切割金相试样，打磨、抛光、腐蚀后在金相显微镜下观察，显微组织正常，为典型的马氏体组织，如图6所示。

3、断口形貌

3.1  宏观形貌

首先对断口进行肉眼观察，可以看出：叶片从榫头的二级榫齿处断裂，裂纹稳态扩展区约占整个断面的90％，而瞬时断裂区大约只占10％，如图7所示。

然后利用体视显微镜（SZX12）和扫描电子显微镜（S5800）对断口进行低倍观察。断口表面靠近源区的形貌如图8所示，可见典型的疲劳弧线和疲劳沟线，说明该断口为疲劳断口；根据疲劳弧线的几何形状和疲劳沟线的收敛方向，可推测出疲劳源在“O”处（图8），即在动叶进气边一侧二级榫齿的上沿拐角处。

3.2  断口微观形貌

利用扫描电子显微镜对断口进行了微观形貌观察。图9为图8中“A”处附近的微观形貌，未发现异常的特征。疲劳扩展区为典型的脆性疲劳条带形貌特征，断口表面腐蚀严重，如图10所示。

4、断裂原因分析

叶片断口宏微观分析表明：宏观断口平滑，有明显的疲劳弧线和疲劳沟线（疲劳台阶）特征；在断口的稳态扩展区有典型的脆性疲劳条带特征。可以诊断该断口为疲劳断口。

叶片疲劳断口的扩展区所占比例很大，而瞬时断裂区面积很小，说明疲劳裂纹扩展的推动力-疲劳扩展载荷较小；形成疲劳沟线则需要较高的应力，根据断口源区的疲劳沟线特征，我们推断疲劳裂纹的萌生应力较大。

显微组织分析显示材料组织正常，断口源区形貌观察也未发现异常，说明疲劳裂纹的萌生的主导原因不是材质、腐蚀、缺陷等，也就是说，叶片的抗力没有降低，只能是动力（载荷）过大导致疲劳裂纹萌生。

正常工况下，叶片榫头与榫槽配合良好，拆卸后的叶片榫头上不应有磨损、积碳等异常痕迹。然而，在第11级动叶榫头侧面上看到了明显的磨损和腐蚀痕迹，据此，推测动叶的榫头和榫槽间出现不应有的松动，引起机构异常振动，对于高速转动的风机来说是非常危险的。

由于第11级动叶的榫头和榫槽配合出现松动，导致动叶振动下传，在进气边一侧二级榫齿的上沿拐角处（有较大的应力集中）萌生振动疲劳裂纹，裂纹在交变振动应力的驱动下扩展，腐蚀介质也起到了加速扩展的作用，疲劳裂纹扩展至临界尺寸发生断裂。

5、结论

（1）叶片的断裂模式为振动疲劳。

（2）疲劳裂纹萌生的主要原因是：叶片榫头和榫槽配合松动，导致振动下传，非正常的振动应力导致了裂纹萌生。

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