摘要:某QA钢风扇叶片在运行约~h后发生断裂,采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析、金相检验、硬度测试等方法分析了其断裂原因。结果表明:开裂起源于叶片根部两侧焊缝边缘的热影响区,在风扇转动和发电机整体振动产生的交变应力和焊接应力作用下,裂纹萌生并扩展,最终导致叶片发生断裂。
关键词:风扇叶片;QA钢;裂纹;疲劳断裂
中图分类号:TB31;TG.2文献标志码:B文章编号:-()04--04
某风扇安装于额定功率为kW及kW的两款发电机上,用于发电机的散热。发电机与柴油机刚性对接,由柴油机拖动发电机旋转发电。柴油机的额定转速为1r/min,最大转速不超过r/min。发电机组伴有轴系的扭转振动及机身的线性振动,风扇叶片材料为QA钢,工艺流程为钢板切割→焊接→轴系安装(螺栓锁紧)。该柴油发电机组在运行约~h后,8台机组的风扇叶片在轴向上出现撕裂状开裂,其中两台出现完全断裂。笔者采用一系列理化检验方法对该断裂的风扇叶片进行分析,以防止该类问题再次发生[1-4]。
1理化检验
1.1宏观观察
断裂风扇叶片的宏观形貌如图1所示,该风扇共8片叶片,分别编号为1#~8#。风扇叶片断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知:内圈断口颜色偏黑,均未见明显塑性变形,断口较为平滑;2#,4#,5#,7#,8#断口下半区域中间有较为明显的分界线,将断口分为左右两个区域;1#,3#,6#断口擦伤严重,无法观察原始断裂特征;2#,7#,8#断口上半段擦伤严重,且存在黄褐色浮锈,7#断口隐约可见贝壳纹,4#,5#断口损伤较小,隐约可见贝壳纹;内圈断口贝壳纹均朝叶片根部收敛;外圈断口偏黑,其中5#,7#,8#断口可见较为明显的纹路收敛,8#断口可见明显贝壳纹。断口位置及外圈7#和8#断口清洗后的宏观形貌如图3所示,由图3可知:各扇叶断裂位置均为扇叶与内圈焊缝边缘,外圈7#,8#断口经过清洗后,可见明显贝壳纹,收敛方向为扇叶根部。
1.2化学成分分析
采用CSB型红外碳硫仪和ARL型光电直读光谱仪对叶片进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:叶片的化学成分符合GB/T—《碳素结构钢》对QA钢的要求。
1.3扫描电镜(SEM)和能谱分析
将外圈5#,7#,8#断口进行清洗后,置于扫描电子显微镜下观察,可见3个断口源区位于叶片根部两侧。外圈5#断口的SEM形貌如图4所示,由图4可知,左侧源区特征为擦伤,右侧源区未见明显缺陷,断口扩展区可见贝壳纹和疲劳辉纹。外圈7#断口的SEM形貌如图5所示,由图5可知,两侧源区均可见擦伤,扩展区可见疲劳辉纹。外圈8#断口的SEM形貌如图6所示,由图6可知,右侧源区未见明显缺陷,左侧源区可见擦伤,断口扩展区可见贝壳纹和疲劳辉纹。
1.4金相检验
在外圈5#,8#断口源区截取剖面试样,将其镶嵌、磨抛后置于光学显微镜下观察,按GB/T—《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评定8#断口试样中的非金属夹杂物,结果分别为A0.5、B0、C0、D0.5级[见图7a)],心部组织为铁素体+珠光体[见图7b)]。8#断口试样抛光态形貌如图7c)所示。8#断口试样经腐蚀后,其断口源区处的显微组织形貌如图7d)所示,组织为索氏体+铁素体。外圈5#断口试样源区显微组织形貌如图8所示,源区组织为索氏体+铁素体,与8#断口试样一致,均为焊接热影响区组织。
1.5维氏硬度测试
将8#断口金相试样镶嵌、磨抛后,置于FM型显微硬度计下观察,采用0.N的试验力测试其维氏硬度。源区索氏体区域的维氏硬度为,,HV;基体处的维氏硬度为,,HV。可见源区索氏体区域硬度比基体处高出55~65HV。
1.6焊缝低倍检验
在内圈8#断口焊缝剖面截取试样,按GB/T—《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》中的热酸腐蚀法检验焊缝低倍组织,并按GB/T.1—《金属熔化焊接头缺欠分类及说明》标准评定,试样焊缝与母材融合良好,未观察到焊接缺陷。
2综合分析
QA钢的加工性能和焊接性能良好,被广泛应用于建筑、机械构件和设备中,失效形式也各有不同[1-4],其失效原因主要包括原材料不合格、焊接工艺不当等。通过化学成分分析可知:扇叶的化学成分符合GB/T—对QA钢的要求。焊缝处无焊接缺陷,由夹杂物评定和金相检验结果可知,叶片的原材料和焊接质量正常。由断口的宏观观察结果可知:送检扇叶断裂位置均为扇叶与内圈焊接处边缘,扇叶断口均无明显塑性变形,部分断口擦伤严重,部分断口有清晰贝壳纹,为疲劳断裂的典型宏观特征,贝壳纹收敛并指向扇叶根部(焊接处边缘),多数断口的近扇叶根部存在较为明显的分界线。断口源区为扇叶根部两侧表面,源区处多数为擦伤,未擦伤处无明显缺陷。起裂位置为扇叶根部两侧,沿扇叶厚度方向和长度方向扩展,故在扇叶中间形成了分界线。源区附近和贝壳纹区均可见疲劳辉纹,为疲劳断裂的典型微观特征。各断口源区处存在索氏体组织,扇叶通过焊接固定于内圈上,源区为焊接热影响区,且焊接后未做去应力处理,焊接热影响区存在焊接应力。该风扇在工作时,发电机组伴有轴系的扭转振动及机身的线性振动,叶片承受振动产生的交变应力。该风扇断裂起源于扇叶根部两侧焊缝边缘,在结构上为应力集中区域,在风扇转动和发电机整体振动产生的交变应力和焊接应力的作用下,叶片萌生裂纹,裂纹以疲劳形式扩展,导致叶片最终发生断裂。
3结论
(1)断裂风扇叶片的化学成分符合GB/T—的要求。
(2)风扇叶片断裂起源于扇叶根部两侧焊缝边缘的热影响区,在风扇转动和发电机整体振动产生的交变应力和焊接应力作用下,叶片萌生裂纹,裂纹以疲劳形式扩展,最终导致叶片发生断裂。
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册59卷4期(pp:8-11)
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