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1、1970年，飞机静力试验过程中机翼在主梁根部突然折断。断裂宏观形貌如图孔直径 14D4（图纸要求12D4），孔边距16mm（图纸要求14mm）孔内光洁度4 5（图纸要求 6）孔内表面有的刀痕和油泥。,30CrMnSiA飞机主梁断裂原因分析,主梁与主起落架斜支柱接头的螺栓孔,设计问题：经计算即使外加载荷达到100%，主梁也不应被拉断。主梁材料在其他机型使用和历次静力实验中从未出现断裂。右机翼加载至99.3%时失稳破坏。静力试验问题：外界因素对实验结果的影响可以排除。试验过程中的突然卸载仅使主梁承受了一次较高的载荷。,主梁断裂原因分析,化学成分低倍组织 符合技术条件要求金相组织 氧化物夹杂、硫化物
2、夹杂均为1级，晶粒度6-7级，回火马氏体，符合技术条件要求。热处理制度 600C-650 C预热60min，900 C保温45min，200 C-250 C等温60min，水冷或空冷，200 C-300 C回火120min。,主梁材质分析,主梁材质分析,机械性能,强度值超上限；塑性偏低；硬度偏高。,断口观察,螺孔左侧断面细致，电子显微镜观察为塑性拉伸断裂，是被迫拉断。螺孔右上角呈颗粒状断裂，表面粗糙，颜色较深，属脆性断裂，放射状中心有一腐蚀凹坑，腐蚀坑在刀痕上，坑底有两条小裂纹。,螺孔断口宏观形貌 断裂源放大形貌,A,A,A,A,断口金相观察,裂纹沿奥氏体晶界发展，裂纹两边密合，有分叉，拐弯处
3、有“湖泊”状氧化物。个别晶粒已经脱落，刀痕处萌生三条裂纹。裂纹发展方向与受力方向成90。,与断面平行的截面形貌,与断面垂直的截面形貌,断口电镜观察,裂纹沿奥氏体晶界发展，属沿晶脆性断裂。,断口的电子形貌,主梁断裂可能原因,过烧（排除）：晶粒长大，裂纹氧化，周围脱碳，力学性能下降。氢脆（排除）：裂纹不能密合，裂纹不分叉，材料塑性急剧下降。应力腐蚀：材质敏感，拉应力，有对材料敏感的腐蚀介质。,主梁应力腐蚀断裂原因分析,材质分析：等温淬火后低温回火超出强度极限，材料本身有较大的内应力。（不同回火温度比较裂纹出现时间）,裂纹数目及裂纹扩展的速度随回火温度的降低而急速增加,主梁应力腐蚀断裂原因分析,加工
4、及装配：刀痕为应力腐蚀发生提供有利条件，装配应力为腐蚀提供拉应力，并长期作用。（不同加工精度和装配应力）,有刀痕有销钉 有销钉无刀痕 有刀痕无销钉 无刀痕无销钉,装配应力及刀痕均能促进应力腐蚀的速度，两种因素在破坏的主梁上均存在。,主梁应力腐蚀断裂原因分析,应力条件：多项静力试验应力与装配应力叠加，使内孔产生一个足够大的拉应力并与由于回火温度较低引起残余应力叠加。腐蚀介质：黑色油脂状溶液，并有铁屑；机加工用肥皂水；环境湿度平均为87%，最高为97%。,结论及建议,飞机主梁提前断裂的原因是由于较高的应力和腐蚀介质引起的应力腐蚀开裂。提高关键部位的光洁度，特别是螺孔的内孔，避免机加工刀痕。对超高强
5、度钢的热处理工艺应尽量将强度控制在中下限。严禁强迫装配，扩孔后必须特别注意孔内的清洁，暂不装配的零件必须油封保管。,东方明珠用高强度螺栓断裂分析,1994年，东方明珠电视塔桅杆天线建造过程中发现所用35VB高强度螺栓在预装后6天内共发现13套断裂。,断裂螺栓的断口宏观形貌,化学成分 符合35VB标准要求热处理制度 860C水淬，450 C，100min回火。力学性能合格，屈强比稍高。,断裂螺栓材质分析,断裂螺栓材质分析,硬度分析未断裂螺栓中部硬度：HRC 29-36断裂螺栓硬度：六角螺帽处：HRC 39.3 中部：HRC 38 断裂截面：HRC 37.5断裂螺栓硬度大于HRC36，硬度越高，s
6、/b也越高，越对环境敏感断裂敏感。,断口较为平整，除一边有剪切外，无明显塑性变形。整个断口分为三个区域，即裂纹起源脆性区，中间的正断区及最后的剪切区。,螺栓断口宏观分析,正断区,起源区,剪切区,主断面上存在突出的长裂口，在裂口中有一轴向裂纹。,螺栓断口宏观分析,起裂区：断裂从螺纹缺口的亚表面开始，沿原奥氏体晶界开裂，并有清晰的二次裂纹。,螺栓断口微观分析,正断区：断口主要是塑性断裂，韧窝直径较小，密度较高，韧窝形状规则。,螺栓断口微观分析,剪切区：主要是在剪应力作用下的塑性断裂，韧窝被拉长。,定氢试验结果表明：该螺栓的含氢量为0.55ppm，强度为 s=1012Mpa，b=1100MPa，屈强
7、比K=0.92，HC=2ppm，对环境断裂敏感。螺栓螺纹根部的曲率半径越小，应力集中系数越小，K1HC大，反之，K1HC小。氢极易在根部富集，导致在此部位开裂。,开裂原因分析,氢可来源于酸洗、磷化以及雨水或潮湿环境中的腐蚀反应。该螺栓在加工过程中经过酸洗，给螺栓提供了氢的来源；螺栓在使用过程中上海的潮湿环境也可提供氢。钢中的氢在足够高的应力作用下在一些缺陷（如缺口、夹杂、晶界）聚集，萌生裂纹，在应力作用下氢致裂纹稳定生长，最后到临界应力时，发生完全断裂。钢发生氢脆的条件由三个：敏感的材料，特别是s/b高的材料；有足够含量的氢（CH HC）;有足够高的应力H C;,结论及措施,东方明珠电视塔桅杆
8、天线所采用的M30130高强度螺栓是氢致开裂（HIC）引起的延迟断裂。措施：避免酸洗，或酸洗以后去氢处理；提高回火温度，控制强度在规范的下限；降低螺栓螺纹的曲率半径，增加光洁度。,1992年，上海杨浦大桥用德国进口的STE355钢板，该钢板从德国汉堡启运，经35天的海运到达上海，在产品验收时发现钢板表面腐蚀严重。对该钢板是否可用于大桥的建造提出疑议。STE355腐蚀钢板的形貌,上海杨浦大桥用进口钢板STE355腐蚀原因分析,STE355为普通碳钢，热轧板，厚度分别为60mm，25mm两种。未腐蚀钢板表面覆盖着灰色氧化皮，氧化皮较为致密，但有开裂；平均厚度为0.35mm；氧化皮结构主要为Fe3O
9、4。从表层到内层氧化皮中的Fe含量变化为：71.5%-69.7%-75.2%表 里,钢板腐蚀锈层观察,轻微腐蚀,锈层仍为两层，表层致密，内层疏松，第一层厚度为0.04mm，第二层为0.11mm，第一层中间发生断裂,一般腐蚀,锈层为两层，两层厚度相当，均为 0.03mm左右，表层较致密，没有明显的剥落，下层剥落严重,钢板腐蚀锈层观察,中度腐蚀,多层锈，腐蚀产物壳起，第一层厚度为0.005mm，第二层为0.13mm，第三层最厚处达0.11mm，基体腐蚀深度0.10mm,严重腐蚀,锈层依然为两层，第一层较为致密，厚度为0.04mm左右，第二层较疏松，底部出现坑点腐蚀，厚度为0.16mm。表层折断，中
10、间填满第二层腐蚀产物,钢板腐蚀锈层观察,腐蚀样品表面局部出现的针状 FeOOH,疏松的 FeOOH 针网状内层有较高的蓄水量，较致密的外层有利于水溶液在内层滞留。,腐蚀产物中有Fe、O外还有Cl根据含量分析外层 Fe含量与 Fe3O4相似，内层与-FeOOH锈相似。Cl主要存在与腐蚀产物的缝隙或裂纹中。,锈层微区成分分析,Si,Fe,O,Cl,钢板腐蚀速度的测定,浸泡模拟试验,STE355与一般碳钢或低合金钢在海水中的腐蚀速度相当,实验周期10天，实验温度为室温,热轧STE355钢板表面覆盖一层40m左右的Fe3O4氧化皮，该层氧化皮较为致密，但有裂缝，当钢板与带有Cl的水接触时，在氧化皮下发
11、生均匀腐蚀，局部有浅坑腐蚀，最深腐蚀深度为0.345mm，腐蚀产物主要为-FeOOH。钢板腐蚀最严重处的腐蚀速度估计为0.464mm/a，mm/a），腐蚀程度一般处的腐蚀速度为0.225mm/a左右。,结 论,2000年8月27日台湾连接高雄与屏东的高屏大桥发生拦腰折断事故。日本在1978年将耐候钢直接用于桥梁，以后发现不涂装的耐候钢在海洋大气环境下仍然发生锈蚀，原因是耐候钢表面不能形成致密的具有保护作用的锈层。耐候钢表面形成的锈层在海盐粒子的冲击和侵蚀下成为粉状，不能对基体起到保护作用。日本建设省在1996年明令沿海地区离海岸线15公里以内的大桥、建筑禁止使用原来的耐候钢，及当飞来盐量在0.
12、5mg/dm2day以上是，附着盐量在0.5mg/dm2day以上时就不能使用耐候钢。,后记,建议,沿海大桥应采用新一代耐海洋大气腐蚀的耐候钢，新开发的表面改型耐候钢的腐蚀率为原耐候钢的1/3，同时，腐蚀速度随着时间的延长而降低。,不同地点暴露 4年的腐蚀失重测定,不同地点腐蚀失重随时间的变化,中压汽轮机组第十级叶轮在没有任何预兆的情况下突然飞裂。同类型叶轮开裂事故达30起。飞裂叶轮宏观形貌,汽轮机叶轮开裂研究,开裂部位：均从轴向键的键槽弯角R处开始，径向键叶轮没有开裂。叶轮材质：除34CrNi3Mo外还有30CrMoV9结构钢，强度从60kg/mm2到100kg/mm2之间。开裂地点：在汽轮
13、机的最后几级，工作温度在50-120之间。服役时间：飞裂叶轮运行时间仅为5年，其余叶轮均运行了15-20年，最长的达40年。开裂方式：均为脆性，断口上有黑色层。,开裂叶轮的特点,化学成分,飞裂叶轮材质分析,超声波检验：钢厂检验和断后复验均未发现缺陷；硫印检查：一级；酸洗检查：未发现白点裂纹等缺陷；残余应力：残余应力t=0.46 公斤/mm2;制造精度：键槽的加工精度要求为7，实测为 4 5，这将使安全系数 K值降低。,飞裂叶轮材质分析,叶轮热处理工艺,叶轮的力学性能,飞裂叶轮材质分析,机械性能,材质的力学性能符合规定技术要求,飞裂叶轮材质分析,金相分析 叶轮材质为 34CrNi3Mo钢，显微组
14、织为回火索氏体，中部有少量上贝氏体。显微硬度在 HRC30.537之间。断裂第一区晶粒度为23级，钢中有较多的夹杂物，沿晶界有粗大的硫化物夹杂。夹杂物评级为3.5级，经分析为MnS、FeS、-Fe2O3。,飞裂叶轮材质分析,叶轮盐垢分析,经化学分析盐垢的成分为：Na2CO3 2.65%NaNO3 0.14%NaCl 14.83%Fe2O3 35.65%Na2SO4 17.03%不溶物 20.51%Na2SiO3 1.44%磷酸盐 0.00%,受力分析：第十级叶轮以红套固定在轴上，内孔辅以轴向单键，在静止时依靠过盈产生的径向压力使叶轮在轴上定位，因此叶轮内孔受较大的径向压应力。在运行情况下，随着
15、转速的提高，内孔径向压力逐渐减小，拉应力逐步增加。因此在工作状态下内孔受力是由于过盈与离心力共同作用引起的。其应力分析如下：静止时过盈产生的切向应力：T=20.50 kg/mm2 静止时过盈产生的径向切应力：T=12.27 kg/mm2 工作转速下（N=3000 rpm)：T=30.58 kg/mm2,T 3.42 kg/mm2 叶轮强度设计的安全系数：K=s/T=2.21,使用情况：这台汽轮机属备用机组，停机时间多于运行时间，停机时未进行热风停机保养，腐蚀较为严重。,叶轮的冶炼、加工、运行基本达到法规的要求，但存在：叶轮材料强度偏高，冲击值偏低；加工较粗糙，键槽处管光洁度较差且有刀痕；停机保
16、养不良，机组点腐蚀较为严重；有键顶的怀疑。,A,A,B,S,C,D,430,171,AA为主断口，BSC及BSD等为二次断口，AA呈脆性断裂，AA裂开后，对应面的B产生拉伸，并沿BS发生二次断裂，同一瞬间，CSD小块被挤出。尺寸测定证明，从AA到BD，叶轮的厚度减少了35mm。,飞裂叶轮残体的尺寸,飞裂叶轮的断口分析,主断口宏观分析：第一区表面黑色，较为平坦，自起源点开始呈放射状；第二区表面黑色，与第一区断面约呈45 夹角，表面粗糙；第三区表面银灰色，为新鲜的粗糙撕裂纤维断口。,飞裂叶轮的断口分析,第一区,第二区,第三区,断裂的起源在键槽的原弧与直线联接处，位于一腐蚀坑上。腐蚀坑宽2mm，深0
17、.5mm。断裂的键槽上发现有一些腐蚀坑及锈斑，在键槽处发现一条在腐蚀坑底形成的裂纹，轴向长约1mm。,飞裂叶轮的断口分析,断裂源位于腐蚀坑上,第一区的断口呈沿晶断裂。次断口发现两条支裂纹，与断口平面呈45，支裂纹与次断口交于第一区与第二区的分界处，裂纹长度分别为 20mm 和 65mm。断口的黑色为Fe2O3和Fe3O4，并有S、Si、Na、Cl、P、O、Cr、Ni等元素。,飞裂叶轮的断口分析,叶轮断裂起因讨论,疲劳断裂（排除）：穿晶裂纹。热加工裂纹（排除）：材料锻造性能和淬透性能良好。回火脆断（排除）：含 Mo0.25-0.40%回火脆不敏感，K值合格。氢脆断裂（排除）：起源于三向应力，解理
18、断裂，由内向外。,叶轮断裂起因讨论,应力过大（排除）：材料缺口敏感性实验，缺口敏感系数1，不敏感,键顶（排除）：光弹试验光弹试验得出如下结论：键槽圆角处有较大的应力集中；键顶力增大使圆角处最大应力线性增长，在工作状态下，应力增加16%；键顶力使键槽圆角最大应力位置外移，与垂直轴呈20-25,叶轮断裂起因讨论,红套过程开裂（排除）：红套拉伸试验红套拉伸试验得出：实验温度为300，拉伸应力为4260公斤/cm2，解在后键槽圆角处有较大的应力集中；键顶力增大使圆角处最大应力线性增长，在工作状态下，应力增加16%；键顶力使键槽圆角最大应力位置外移，与垂直轴呈20-25,叶轮断裂起因讨论,开裂叶轮的裂纹
19、性质推断,1937年英国进口2.25千瓦汽轮机叶轮开裂断口发现，裂纹沿原奥氏体晶粒边界发展，与飞裂叶轮开裂性质相似，属应力腐蚀开裂。,叶轮应力腐蚀开裂机理的分析,所有开裂和飞裂的叶轮断口具有共同特点：开裂发生在汽轮机的最后几级；裂纹从键槽开始；裂纹沿奥氏体晶粒边界扩展；断面上覆盖黑色产物；裂纹出现大量的分叉，且呈脆性,应力腐蚀因子1.叶轮键槽处的盐垢成份水溶性部分：NaCl 38.4%Na2CO3 21.65%NaOH 27.92%Na3PO4 0.81%不溶性部分：SiO2 1.25%Fe,Al 氧化物 4.28%CaO 0.5%其它的叶轮盐垢还发现有 Na2SO4 及NaNO3，盐垢主要是
20、NaCl，Na2CO3 和 NaOH。,应力腐蚀因子2.断口腐蚀产物X射线结构分析：Fe2O3，Fe3O4，-Fe电子探针分析：S，Si，Na，Cl，P，O，Cr，Ni离子探针分析：H，O，Na，S，K，Fe，Cr，Ni经分析，主要腐蚀因子是 NaOH。,腐蚀因子的模拟实验结果,NaCl水溶液中的SCC试验：单一的腐蚀因子NaCl不能导致叶轮材料发生SCC。80C 10%Na2SO4 水溶液中的SCC试验：200小时不断裂，试样表面不腐蚀 80C 30%NaOH水溶液中的SCC试验：试样200小时后发生SCC，断面观察发现裂纹沿原奥氏体晶粒边界扩展，开裂形态与叶轮开裂形态相同。,80C 30%
21、NaOH水溶液中的SCC试验断口形貌及腐蚀产物分析,极化曲线与断裂时间的关系,温度对极化曲线有明显的影响,自然腐蚀电位下可以发生APC型SCC,极化曲线与断裂时间的关系,结 论,1.叶轮开裂主要是由于蒸汽中NaOH腐蚀因子引起的SCC2.经过多年的运行，叶轮键槽处满足SCC的条件：NaOH浓度5%键槽圆角的工作应力接近s，当有刀痕和腐蚀坑时，Rmaxs 工作温度50C 3.叶轮的SCC为阳极活性通道型（APC）SCC。,建 议,1.叶轮轴向键改为径向键，或其他方式防止应力集中和缝隙结构2.采用34CrNi3Mo钢制作叶轮时，调制热处理回火温度取610 C为宜。3.安全大修期为3年，大修时清洗叶轮键槽处的盐垢，当发现有加工刀痕或腐蚀坑点时，应消除并磨光以达到设计要求。4.对现有所有带有轴向键槽的叶轮采用喷丸强化，是叶轮键槽圆角处于压应力状态。,利用实验数据评估叶轮使用寿命，预测叶轮开裂时间。,
