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1、材料分析方法结课论文材料分析方法结课论文题目：材料分析法在汽轮机叶片断裂中的应用题目：材料分析法在汽轮机叶片断裂中的应用指导教师：刘冬雨指导教师：刘冬雨姓名：曹力姓名：曹力班级：研动班级：研动 1518学号：学号：1152202181材料分析法在汽轮机叶片断裂中的应用材料分析法在汽轮机叶片断裂中的应用曹力 研动 1518 1152202181 一背景汽轮机是发电设备的三大主机之一。汽轮机的转动部分总称转子。它是由大轴、叶轮、 叶片及其它部件所组成，是汽轮机最重要的部件之一。高速旋转的转子承受很大的离心力， 并传递作用在动叶片上蒸汽产生的扭矩。叶片在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械 能的重要
2、任务，其在转子上高速转动，由于其工作状态十分复杂，在高温、高转速情况下， 既承受巨大的离心力，又要承受蒸汽力、蒸汽激振力，还可能产生弯曲、振动以及湿蒸汽 区水滴冲蚀的作用等，因而容易发生各类失效事故。因而对叶片在设计、制造、检修及运 行个方面都提出了很高的要求，以保证安全可靠的运转。汽轮机因叶片断裂等原因而造成 的事故时有发生，运行中汽轮机叶片断裂不仅导致了设备的加剧损坏和延长停机检修时间， 更将直接影响电站的安全可靠供热发电，造成十分巨大的损失。因此应及时分析判断汽轮 机叶片断裂的原因，以采取必要的处理和预防措施。可以看到，对材料的科学分析是获得先进材料的核心环节，使用科学的分析法分析材料
3、对于减少生产实践中的事故有着重要的借鉴意义，结合本课题，应用材料分析法对汽轮机 叶片断裂情况进行研究目的就在于此。典型的材料分析方法很多，包括 X 射线多晶衍射分 析(XRD)，透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(STM)及电子探针(EDS)，表面分析技术， 热分析技术，光谱分析技术等，考虑到实际应用中的要求，一般在材料研究时都是几种方 法结合起来，以期对金属失效等材料问题有深入的认识。针对本课题，主流多考虑采用透 射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(STM)对叶片断裂机制进行分析研究。2分析方法介绍 2.1 透射电子显微镜(TEM) 2.1.1 简介和原理透射电子显微镜（英语：Tr
4、ansmission electron microscope，缩写 TEM），简称透射电镜， 是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向， 从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的 影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为 0.10.2nm，放大倍数为几万百万倍，用于观 察超微结构，即小于 0.2 微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。透 射电子显微镜的成像原理可分为三种情况： 吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚 度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度
5、较暗。早期的透射电子显微镜 都是基于这种原理。 衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分 不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射 钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 相位像：当样品薄至 100A 以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来 自于相位的变化。2.2 扫描电子显微镜(STM) 2.2.1 简介和原理扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接 利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是，有较高的放大倍数， 20-20 万倍之间连续可调；有
6、很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；试样制备简单。 目前的扫描电镜都配有 X 射线能谱仪装 置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析。扫描电子显微镜的制造依据 是电子与物质的相互作用。扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试 样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试 样表面形貌的观察。当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产 生二次电子、俄歇电子、特征 x 射线和连续谱 X 射线、背散射电子、透射电子，以及在可 见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对
7、、晶格振动（声子）、电 子振荡（等离子体）。3分析过程了解以上的两个分析法后，我们就可以结合具体的例子进行材料分析。查阅文献，分析实 例和具体步骤如下：实例：某厂型号为 CC50-90/42/15 的汽轮机组在 1996 年 3 月 6 日 23：00 时，机组运行中 振动突然增大，揭缸后检查发现，末级第 64 号叶片在叶长大约 1/3 处断裂，断裂的叶片 因受高速撞击，其边缘已产生严重卷曲变形，如图 3-1 所示，同时，也造成其它 20 余片 叶片的撞伤。对全部末级叶片进行渗透探伤，结果发现，有 14 片叶片上存在长度不同的穿 透型裂纹，有的叶片上有多条裂纹。 图 3-1 断裂叶片卷曲变形
8、对断裂的叶片进行以下试验和测试： 金相分析； 宏观断口分析； 微观断口分析； X 射线能谱分析。3.1 金相分析 叶片基体金相组织如图 3.2、图 3.3 所示，可以看到，经过高温回火后，其最终 组织为回火索氏体，部分区域的回火索氏体还保留板条马氏体的位向，其中还有少量 的碳化物，呈均匀分布，为正常组织。 图 3.2 叶片金相组织（200） 浸蚀液：三氯化铁酸溶液 图 3.3 叶片金相组织（200） 浸蚀液：三氯化铁酸溶液 图 3.3 还显示了裂纹附近的组织状况，可以看到，裂纹产生于排汽边，并向进汽边发展。 3.2 宏观断口分析图 3.4 显示了叶片的宏观断口，图 3.5 是叶片的排汽边附近的
9、汽蚀情况，可以看 出，叶片的汽蚀情况是较重的。通过对断口宏观观察发现，排汽边断面与叶片纵轴线近似 垂直，为水平断口，进汽边为倾斜断口，是最后瞬断区，在断裂的叶片截面上，可看到明 显的贝壳疲劳纹，而贝壳纹的圆心指向排汽边。 图 3.4 叶片的断面图 3.5 叶片的汽蚀形貌3.3 微观断口分析用 JESM-6300 扫描电镜观察断口形貌，如图 3.6图 3.10 所示。图 3.6、3.7 断口上均匀的贝壳纹图 3.8、3.9 断口上较大的疲劳台阶图 3.10 排汽边边缘沿晶断裂形貌图 3.6 可观察到明显的贝壳花纹，而贝壳纹是疲劳断口的重要形貌特征。对疲 劳断口而言，贝壳纹的变化也反映了负荷变动情
10、况，在图 3.6、图 3.7 中，其受力 较小，负荷变化不大，疲劳裂纹扩展缓慢，贝壳纹间距变化均匀，而在图 3.8 中，贝 壳纹间距变化很大，且不规则，说明受力较大，负荷变化也无规律。图 3.9 是断口上 快速扩展的台阶。图 3.10 显示了叶片排汽边边缘沿晶断裂形貌，该处汽蚀十分严重， 是造成沿晶断口的原因。 此外，从断口上还可以观察到较多的二次裂纹，见图 3.11 和图 3.12，二次裂纹 是随疲劳裂纹的扩展而产生的，二次裂纹的出现反映其环境状况较差。图 3.11、图 3.12 断口上的二次裂纹特征断口上疲劳辉纹的形貌特征见图 3.13、图 3.14。图 3.13、图 3.14 断口上疲劳
11、辉纹特征从辉纹特征图可以看出，其辉纹间距（D）约在 5m 左右，叶片宽度（L）约为 70mm， 按经验公式，循环周次 T=L/D=1.4105 周次,正处于低周疲劳与高周疲劳的临界点,同时,断 口上还出现了许多宽度在几十 m 甚至几百 m 的疲劳台阶,因此,其循环周次大大低于 10 5，应属低周疲劳。图 3.15 瞬断区韧窝断口在疲劳断口的瞬断区，可以观察到断口具有韧窝花样及二次裂纹特征，见图 3.15， 与疲劳区交界处还可以看到疲劳快速扩展所产生的较宽的台阶。 3.4 X 射线能谱分析经过仔细观察，发现叶片局部表面有覆盖物，形貌见图 3.16 和图 3.17。表面覆盖物的 可能来源有：（1）
12、、水（蒸汽）中离子结垢； （2）、叶片断裂后受到的二次污染。图 3.16 未清洗前叶片表面低倍形貌 图 3.17 放大的表面形貌 对表面的覆盖物质进行 X 射线能谱分析，相应结果见图 3.18 和表 3.1，其产物中 含有较高浓度的 Si、S、Cl、K、Ca 等元素。将断裂下来的叶片及其对偶断口进行丙酮超声 波清洗，发现其表面仍有许多腐蚀。产物，其表面形貌如图 3.20 所示，成分分析的结果 见图 3.19 和表 3.2，结果显示，其表面产物中，含有较高的 Si、S、Cl、K、Ca 等元素。 其中较高含量 Cl 离子的存在，极易造成叶片的腐蚀。 图 3.18 叶片清洗前表面能谱图 图 3.19
13、 叶片断口能谱图 表 3.1 叶片清洗前表面成分表 3.2 断面表面成分图 3.20 清洗后断口表面腐蚀产物形貌4分析结果根据以上分析，可以得出如下结论： （1）叶片的断裂系疲劳所至，疲劳源产生于叶片的排汽侧，主要是在此部位一方面承受了 较高的应力应变（如负荷过大等），另一方面，由于汽蚀作用，在叶片边缘部位形成了较 尖锐的沟槽，改变了叶片表面的应力状态，使裂纹更容易在此部位出现并得到扩展； （2）疲劳贝纹的非均匀性和很宽的疲劳台阶，说明该机组运行时负荷变化较大； （3）工作介质的冲刷，对疲劳源的产生和扩展起了促进作用； （4）由于疲劳裂纹的产生，是长期交变应力作用的结果，而该机组并没有长期超出
14、设计范 围的运行状况，包括升降负荷的操作，也基本按规程要求，因而，对于材料来说，高应力 应变下产生疲劳裂纹，超出了材料的疲劳极限，但对于汽轮机组来说，却仍在机组设计范 围之内，因而，对于 50MW 机组，在正常操作中出现此类事故，说明其设计存在严重问 题，它只考虑了额定载荷和稳定工况下的情况，没有考虑在其规程范围之内的变工况和其 它情况，导致长期运行后叶片的断裂。 参考文献：1.赵晓辉.50MW 抽汽冷凝式汽轮机叶片断裂原因分析.能源研究与信息,2002,18(2). 2.郭达人.金属材料的断裂及其断口分析.国外金属热处理,1996,17(4). 3.范春生.300 MW 机组低压转子叶片断裂
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