韓成樹，夏明六

(銅陵市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 銅陵 244000)

1 引言

某公司汽輪機(jī)軸在使用過程中發(fā)生斷裂，斷裂汽輪機(jī)軸的材料為25Cr2MoV，使用溫度為450 ℃，工況壓力4.2 MPa，為分析汽輪機(jī)軸斷裂的原因，對(duì)斷裂的汽輪機(jī)軸進(jìn)行了失效分析。

2 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

2.1 宏觀形貌分析

汽輪機(jī)軸斷口宏觀形貌照片見圖1，汽輪機(jī)軸端面可以分為兩個(gè)半圓的平整區(qū)和心部的“一字”花樣粗糙區(qū)構(gòu)成，為典型的雙向彎曲疲勞斷裂斷口[1]。斷裂源起源于汽輪機(jī)軸的外表面，裂紋呈現(xiàn)多源的特征，裂紋從斷口兩側(cè)開始向內(nèi)擴(kuò)展，最終在汽輪機(jī)軸心部斷裂，呈現(xiàn)心部的“一”字型花樣。根據(jù)汽輪機(jī)軸的斷口特征可以確定在結(jié)構(gòu)上斷裂位于螺紋處，該處應(yīng)力集中，在受力方面汽輪機(jī)軸斷裂的原因?yàn)槭艿阶笥覂蓚?cè)的彎曲應(yīng)力，根據(jù)汽輪機(jī)軸的工況條件，汽輪機(jī)軸受到振動(dòng)，可以確定汽輪機(jī)軸的斷裂原因在結(jié)構(gòu)上該處應(yīng)力集中，汽輪機(jī)軸受到受迫振動(dòng)。

圖1 汽輪機(jī)軸斷口宏觀形貌照片

2.2 化學(xué)成分分析

斷裂汽輪機(jī)軸的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見表1，從表1可以看出兩根汽輪機(jī)軸的化學(xué)成分都滿足:《GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的25Cr2MoVA要求，可以確定兩根汽輪機(jī)軸材料均為25Cr2MoVA。

表1 汽輪機(jī)軸化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 %

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

汽輪機(jī)軸的拉伸性能和沖擊性能測(cè)試結(jié)果見表2，從表2可以看出汽輪機(jī)軸的所有力學(xué)性能指標(biāo)皆低于《GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定25Cr2MoVA的力學(xué)性能要求，說明汽輪機(jī)軸的材質(zhì)在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生了劣化。

表2 汽輪機(jī)軸力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相顯微組織分析

汽輪機(jī)軸外表面金相顯微組織照片見圖2，從圖2中可以看出汽輪機(jī)軸外表面有一層6～9μm化合物層，近外表面金相組織中有大量的顆粒狀石墨析出[2]，說明汽輪機(jī)軸外表面金相組織發(fā)生了嚴(yán)重的石墨化。

圖2 汽輪機(jī)軸金相顯微組織照片

2.5 汽輪機(jī)軸斷口SEM微觀形貌分析

汽輪機(jī)軸斷口掃描電鏡微觀形貌照片見圖3，汽輪機(jī)軸裂紋源處有大量因石墨脫落而形成的空洞，擴(kuò)展區(qū)微觀形貌主要為輪胎花樣[3]，是典型的疲勞斷口微觀形貌，最終斷裂區(qū)為韌窩狀花樣，在整個(gè)斷口表面有大量的球狀石墨析出。

圖3 汽輪機(jī)軸斷口表面SEM微觀形貌照片

2.6 汽輪機(jī)軸斷口EDS微區(qū)化學(xué)成分分析

斷口表面析出物EDS微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果見表3，EDS分析結(jié)果表明析出物主要化學(xué)元素為C元素，這也說明汽輪機(jī)軸的材質(zhì)劣化的原因主要是石墨化。其余Fe、Al、Si等元素來自于汽輪機(jī)軸材料，Ca元素可能為水蒸汽中帶來。

表3 汽輪機(jī)軸斷口表面EDS微區(qū)化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 %

3 汽輪機(jī)軸斷裂原因分析

綜合以上分析，汽輪機(jī)軸的斷裂類型為雙向彎曲疲勞斷裂，根據(jù)汽輪機(jī)軸的斷裂位置可知，斷裂處為應(yīng)力集中處，該類型疲勞斷裂的主要原因是汽輪機(jī)軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到的振動(dòng)。

汽輪機(jī)軸原材料化學(xué)成分符合25Cr2MoVA要求，但汽輪機(jī)軸金相組織中有大量的石墨析出，導(dǎo)致汽輪機(jī)軸的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明汽輪機(jī)軸的材料在使用過程中已經(jīng)嚴(yán)重劣化，這是汽輪機(jī)軸發(fā)生疲勞斷裂的根本原因。

4 結(jié)論與建議

汽輪機(jī)軸斷裂類型為雙向彎曲疲勞斷裂，汽輪機(jī)軸斷裂的根本原因?yàn)椴馁|(zhì)的劣化即金相組織的石墨化；建議選用更耐高溫的材料，在結(jié)構(gòu)上避免應(yīng)力集中，并盡量減小設(shè)備的振動(dòng)。

[1] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].2版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 馬李洋,師紅旗,丁 毅,等. 安全閥彈簧斷裂失效分析[J].熱加工工藝, 2010,39(12):191-193.

[3] 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.