摘 要:某Q235A鋼風扇葉片在運行約180~500h后發生斷裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、 掃描電鏡和能譜分析、金相檢驗、硬度測試等方法分析了其斷裂原因。結果表明:開裂起源于葉片 根部兩側焊縫邊緣的熱影響區,在風扇轉動和發電機整體振動產生的交變應力和焊接應力作用下, 裂紋萌生并擴展,最終導致葉片發生斷裂。 

關鍵詞:風扇葉片;Q235A鋼;裂紋;疲勞斷裂 

中圖分類號:TB31;TG115.2              文獻標志碼:B                        文章編號:1001-4012(2023)04-0008-04 

某風扇安裝于額定功率為162kW 及180kW 的兩款發電機上,用于發電機的散熱。發電機與 柴油機剛性對接,由柴油機拖動發電機旋轉發電。 柴油機的額定轉速為1500r/min,最大轉速不超 過1875r/min。發電機組伴有軸系的扭轉振動及 機身的線性振動,風扇葉片材料為 Q235A 鋼,工 藝流程為鋼板切割→焊接→軸系安裝(螺栓鎖 緊)。該柴油發電機組在運行約180~500h后,8 臺機組的風扇葉片在軸向上出現撕裂狀開裂,其 中兩臺出現完全斷裂。筆者采用一系列理化檢驗 方法對該斷裂的風扇葉片進行分析,以防止該類 問題再次發生[1-4]。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

斷裂風扇葉片的宏觀形貌如圖1所示,該風扇共 8片葉片,分別編號為1# ~8# 。風扇葉片斷口的宏 觀形貌如圖2所示。由圖2可知:內圈斷口顏色偏 黑,均未見明顯塑性變形,斷口較為平滑;2# ,4# ,5# , 7# ,8# 斷口下半區域中間有較為明顯的分界線,將斷口分為左右兩個區域;1# ,3# ,6# 斷口擦傷嚴重,無法 觀察原始斷裂特征;2# ,7# ,8# 斷口上半段擦傷嚴重, 且存在黃褐色浮銹,7# 斷口隱約可見貝殼紋,4# ,5# 斷口損傷較小,隱約可見貝殼紋;內圈斷口貝殼紋均 朝葉片根部收斂;外圈斷口偏黑,其中5# ,7# ,8# 斷 口可見較為明顯的紋路收斂,8# 斷口可見明顯貝殼 紋。斷口位置及外圈7# 和8# 斷口清洗后的宏觀形 貌如圖3所示,由圖3可知:各扇葉斷裂位置均為扇 葉與內圈焊縫邊緣,外圈7# ,8# 斷口經過清洗后,可 見明顯貝殼紋,收斂方向為扇葉根部。

1.2 化學成分分析 

采用CS901B型紅外碳硫儀和 ARL4460型光 電直讀光譜儀對葉片進行化學成分分析,結果如表 1所示。由表1可知:葉片的化學成分符合 GB/T 700—2006《碳素結構鋼》對 Q235A鋼的要求。 

1.3 掃描電鏡(SEM)和能譜分析

將外圈5# ,7# ,8# 斷口進行清洗后,置于掃描 電子顯微鏡下觀察,可見3個斷口源區位于葉片根 部兩側。外圈5# 斷口的SEM 形貌如圖4所示,由 圖4可知,左側源區特征為擦傷,右側源區未見明顯 缺陷,斷口擴展區可見貝殼紋和疲勞輝紋。外圈7# 斷口的SEM 形貌如圖5所示,由圖5可知,兩側源 區均可見擦傷,擴展區可見疲勞輝紋。外圈8# 斷口 的SEM 形貌如圖6所示,由圖6可知,右側源區未 見明顯缺陷,左側源區可見擦傷,斷口擴展區可見貝 殼紋和疲勞輝紋。

1.4 金相檢驗 

在外圈5# ,8# 斷口源區截取剖面試樣,將其鑲 嵌、磨 拋 后 置 于 光 學 顯 微 鏡 下 觀 察,按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準 評級圖顯微檢驗法》評定8# 斷口試樣中的非金屬夾 雜物,結果分別為A0.5、B0、C0、D0.5級[見圖7a)], 心部組織為鐵素體+珠光體[見圖7b)]。8# 斷口試 樣拋光態形貌如圖7c)所示。8# 斷口試樣經腐蝕 后,其斷口源區處的顯微組織形貌如圖7d)所示,組 織為索氏體+鐵素體。外圈5# 斷口試樣源區顯微 組織形貌如圖8所示,源區組織為索氏體+鐵素體, 與8# 斷口試樣一致,均為焊接熱影響區組織。

1.5 維氏硬度測試 

將8# 斷口金相試樣鑲嵌、磨拋后,置于FM800 型顯微硬度計下觀察,采用0.9807N 的試驗力測 試其維氏硬度。源區索氏體區域的維氏硬度為 192,176,176HV;基體處的維氏硬度為127,131, 131HV。可見源區索氏體區域硬度比基體處高出 55~65HV。

1.6 焊縫低倍檢驗 

在內圈8# 斷口焊縫剖面截取試樣,按 GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》中的 熱酸 腐 蝕 法 檢 驗 焊 縫 低 倍 組 織,并 按 GB/T 6417.1—2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明》 標準評定,試樣焊縫與母材融合良好,未觀察到焊接 缺陷。 

2 綜合分析 

Q235A鋼的加工性能和焊接性能良好,被廣泛 應用于建筑、機械構件和設備中,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 藝不當等。通過化學成分分析可知:扇葉的化學成 分符合 GB/T700—2006對 Q235A 鋼的要求。焊 縫處無焊接缺陷,由夾雜物評定和金相檢驗結果可 知,葉片的原材料和焊接質量正常。由斷口的宏觀 觀察結果可知:送檢扇葉斷裂位置均為扇葉與內圈 焊接處邊緣,扇葉斷口均無明顯塑性變形,部分斷口 擦傷嚴重,部分斷口有清晰貝殼紋,為疲勞斷裂的典 型宏觀特征,貝殼紋收斂并指向扇葉根部(焊接處邊 緣),多數斷口的近扇葉根部存在較為明顯的分界 線。斷口源區為扇葉根部兩側表面,源區處多數為 擦傷,未擦傷處無明顯缺陷。起裂位置為扇葉根部 兩側,沿扇葉厚度方向和長度方向擴展,故在扇葉中 間形成了分界線。源區附近和貝殼紋區均可見疲勞 輝紋,為疲勞斷裂的典型微觀特征。各斷口源區處存在索氏體組織,扇葉通過焊接固定于內圈上,源區 為焊接熱影響區,且焊接后未做去應力處理,焊接熱 影響區存在焊接應力。該風扇在工作時,發電機組 伴有軸系的扭轉振動及機身的線性振動,葉片承受 振動產生的交變應力。該風扇斷裂起源于扇葉根部 兩側焊縫邊緣,在結構上為應力集中區域,在風扇轉 動和發電機整體振動產生的交變應力和焊接應力的 作用下,葉片萌生裂紋,裂紋以疲勞形式擴展,導致 葉片最終發生斷裂。

3 結論 

(1)斷 裂 風 扇 葉 片 的 化 學 成 分 符 合 GB/T 700—2006的要求。 

(2)風扇葉片斷裂起源于扇葉根部兩側焊縫邊 緣的熱影響區,在風扇轉動和發電機整體振動產生 的交變應力和焊接應力作用下,葉片萌生裂紋,裂紋 以疲勞形式擴展,最終導致葉片發生斷裂。

參考文獻: 

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<文章來源>材料與測試網  > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 4期 (pp:8-11)>