发电厂A引风机叶片断裂原因分析报告
某发电有限公司5号机组A引风机于2012年12月2日在运行过程中发生叶
片断裂失效，两片叶片断裂脱离风机主轴。为查明断裂发生原因，对断裂叶片进
行了相关分析。
1. 断口宏观检查及微观分析
A引风机共有两片叶片断裂，其中一片断裂发生在叶片圆柱形根部，其根部
断面存在因交变应力长期作用产生的疲劳贝纹线，应为断裂起始点，该处的
断裂引起了其他部件的破坏。对该叶片根部断面进行取样，清洗后观察其宏
观形貌（见图1）。从断面的裂纹扩展宏观形态可以确定，断裂属于疲劳断裂特
性。疲劳源位于断口边缘（因断裂后发生碰撞，疲劳源区已严重变形），呈斜坡
状，能明显观察到裂纹扩展过程中形成的疲劳贝纹线。裂纹疲劳扩展到一定尺寸
后在外力作用下扩展，直至开裂。

图1 断口疲劳断裂宏观形貌
2. 光谱检验
对叶片根部进行处理后，在德国进口的SPECTRO TEST便携式光谱仪上进行
材质检验，结果见表1。

疲劳源区
疲劳贝纹线

瞬断区
表1 光谱检验结果
元素 C Si Mn Cr
含量/% 0.44 0.255 0.69 1.10
GB/T 17107-1997 0.37～0.44 0.17～0.37 0.50～0.80 0.80～1.10

光谱检验结果符合GB/T 17107对40Cr的成分要求。

3. 冲击试验
依据GB/T 229-2007 要求，在叶片根部沿轴向和径向切取摆锤试验标准样
品，采用JB-300C 型摆锤冲击试验机测试材料的冲击性能，检验结果见表2 。
表2 冲击试验结果
检验项目
编号
径向AKU/J 径向AKV/J 轴向AKU/J 轴向AKV/J

1 75.2 46.5 46.4 24.5
2 88.8 70.8 35.3 35.4
3 92.2 57.8 40.2 34.8
GB/T 17107-1997 ≥39 - - -

材料冲击试验结果无异常。

4. 拉伸试验
按照GB/T 228-2002在叶片根部截取3个拉伸试样，在深圳三思生产的
CMT5105电子万能试验机上检验齿轮材料的抗拉强度，结果见表3。
表3 拉伸试验结果
检验项目
编号
抗拉强度Rm/MPa 下屈服强度Rel/ MPa 断后伸长率A/%

1 775 567 15
2 789 553 15
3 786 587 16
GB/T 17107 ≥735 ≥540 ≥15

拉伸试验结果无异常。

5. 金相检验
在断口疲劳源区截取纵向面作观察面，同时沿轴向在远离断口一段距离处取
样，经镶嵌、粗磨、细磨、抛光后，采用2%的硝酸酒精进行腐蚀，在Carl Zeiss
Axio Obsever 倒置式研究级金相显微镜观察试样的显微组织。
疲劳源区取样的金相组织，靠近表面处存在3处体积较大（每处直径约
100um）的脆性非金属夹杂物；而且存在方向性的夹杂物，走向与疲劳源面的走
向基本一致。表面存在渗氮层，基体组织为回火索氏体，靠近心部区域的回火索
氏体上有针状分布的铁素体存在，组织无异常。
沿轴向远离断口处取样金相组织，表面存在渗氮层，基体组织为回火索氏体，
靠近心部区域的回火索氏体上有针状分布的铁素体存在，组织无异常。
6. 显微硬度检验
在试样金相观察面沿表面至中心方向分别测试各区域的显微硬度，试验所用
仪器为日本岛津生产的HMV-2T显微硬度计，所得结果见表4。
表4 显微硬度检验结果(HV0.2)
检验区域
试样
渗氮层 基体（表面）→ 基体（心部）

疲劳源区取样 645 639 270 278 268 242 245
远离断口处取样 651 641 276 273 275 250 249
表面渗氮层显微硬度较高，基体心部因为存在铁素体显微硬度略有下降。硬

度无异常。
7. 断裂原因分析
此次引风机叶片根部失效形式为疲劳断裂，疲劳源位于根部表面。从检验结
果看，根部材料靠近表面处存在体积较大的脆性非金属夹杂物。疲劳断裂对表面
缺陷非常敏感，在叶片高速转动时，受振动冲击的影响，脆性非金属夹杂物处易
于萌发原始微裂纹，进而扩展成为疲劳源。根部材料还存在与疲劳源面走向一致
的非金属夹杂物，表明微裂纹是沿着夹杂物方向扩展而发展成疲劳源。在交变应
力作用下，裂纹逐渐扩展到一定尺寸，由缓慢扩展发展成为快速扩展，最终导致
叶片根部形成过载断裂失效。
该引风机叶片根部发生断裂的主要原因是由于近表面处非金属夹杂物的存
在促使疲劳源的形成，进而在交变载荷作用下产生疲劳断裂。