叶片断裂失效分析，蠕变持久试验
摘要:对发生断裂的材料进行了理化检验，分析了叶片断口的宏观、微观形貌。根据检测结果，叶片材料性能满足标准要求，其失效模式为疲劳产生的断裂。
关键词:汽轮机；叶片断裂；原因分析
汽轮机叶片所处的工况条件及环境极为恶劣，主要表现在应力状态、工作温度、环境介质等方面。当叶片发生断裂时，断口往往出现在叶根部位，其中很大一部分属于疲劳断裂。金属材料疲劳破坏机制是金属材料在交变应力或交变应变的作用下，某点或某些点逐渐产生了性结构变化，导致在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。疲劳破坏与静力破坏有着本质的不同，在交变载荷作用下，零件中的交变应力在远小于材料强度极限的情况下，破坏就可能发生。不管是塑性或弹性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力脆性断裂。这一特征使疲劳破坏具有更大的危险性。
1叶片断裂情况
某型汽轮机通流部分由复速级和压力级组成，其中复速级为直叶片，根部采用倒T型叶根形式。机组在使用过程中出现了复速级叶片断裂的故障，经拆检，断裂部位为T型叶根的上危险截面在故障发生后，设计人员立即展开了故障原因的排查和清理，并通过宏观检测分析、断口综合分析、微观组织结构观察等手段对失效叶片进行检测与分析。
2失效叶片的理化检验与分析
2.1宏观检测
图1为叶身端断口的宏观照片。叶片的断面平坦，没有发现明显的沿晶断裂，瞬断区面积占总面积相对较小，因此可以判断叶片的失效模式为由于疲劳产生的断裂。根据断口的宏观表象，裂纹源起始于出汽侧内缘，并扩展至进汽侧外缘。
2.2化学成分分析
失效叶片采用1Cr13马氏体不锈钢，表1为材料的化学成分分析结果，对比数据可以看出，失效叶片的化学成分满足零件理化检验的标准要求。
2.3材料组织分析
对断裂叶片进行金相组织观察和显微硬度分析。图2为断裂叶片样品的金相组织，从显微组织图片中可以看出，断裂叶片材料的组织为马氏体组织。
2.4夹杂物分析
将断裂叶片材料进行随机抽样，按叶片的根部和叶身部，参考夹杂物评级标准(GB/T10561-2005或ASTME45-2005)进行夹杂物检验分析。根据夹杂物检测结果，对照GB/T10561-2005夹杂物评级标准，该材料满足标准中对夹杂物的级别要求。
3断口综合分析
3.1微观分析
在完成材料的理化检验后，通过扫描电镜对叶片断口进行了微观分析，图3为叶身端断口的宏观形貌图。从裂纹源附近的放大区域中可以看到疲劳条带的存在，也可以明显看出裂纹起源和裂纹扩展区。
对应断裂根部处发现的疲劳条带可以看出，整个材料的断口表面相对较为平整，主要呈现河流状花样，同时存在少量的二次裂纹。
综合判断，材料的裂纹起源于叶片T型的边缘部位，并逐渐向中心部位扩展。
3.2裂纹的扩展
疲劳裂纹扩展的微观模式受材料的滑移特性、显微组织特征尺寸、应力水平及裂纹塑性区尺寸等的强烈影响。一般可将疲劳裂纹的扩展分为3个阶段。
对于大多数合金而言，第I阶段裂纹扩展通常都很短，一般只有2~5个晶粒。但该阶段在总的疲劳寿命中所占的比例并不一定很小，当应力幅较低时，所占比例甚至可达总寿命的90%。该区域的微观断口形貌极其复杂，可能出现的形貌特征有摩擦痕迹、滑移线、类解理形貌(如河流、羽毛、舌头等)、早期疲劳条带、沿晶、混合形貌等断口特征；当应力强度因子范围较高时，裂纹塑性区跨越多个晶粒，这时裂纹扩展沿2个滑移系统同时或交替进行，即第II阶段扩展。疲劳条带是该阶段的典型微观形貌特征；当应力强度因子范围很高时，裂纹塑性区尺寸远大于晶粒直径，此时裂纹扩展类似静态加载时的裂纹扩展，在韧性材料的断口上会形成显微空洞聚集方式的韧窝形貌，有时还会出现准解理、解理和沿晶开裂的形貌特征。
4改进措施
(1)在设计汽轮机时，必须保证叶片各部位的工作应力处在安全水平，因此必须考虑加大叶片叶根的接触面积，改善叶轮与叶根接触面的接触情况，使叶根在工作状态下尽量保持均匀的接触，尽量减少叶片局部区域的应力集中。
(2)为了降低汽轮机叶片的疲劳破坏，延长叶片的使用寿命，必须改善叶片的工作情况，严禁超载运行，减少或消除共振。
(3)加强对叶片表面质量的检查，以提高叶片的安装质量。
5结语
（1）通过宏观和微观断口观察分析，叶片的失效模式为由于疲劳产生的断裂，裂纹源起始于出汽侧内缘，后扩展至进汽侧外缘；
（2）通过材料的理化检验，叶片材料的化学成分、力学性能、硬度值、夹杂物等级均满足标准要求；
（3）在疲劳裂纹源处未见明显夹杂物、缩孔等材料缺陷因素，故判断裂纹起源为应力集中导致，随着裂纹的逐渐扩展，叶片终发生断裂。
