某型號(hào)不銹鋼泵葉輪葉片在工作過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象,并造成葉輪失效報(bào)廢,其材料為316L不銹鋼。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)葉片斷裂的原因進(jìn)行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

斷裂葉片的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：葉片整體及斷口處均未見明顯塑性變形,斷口處相對(duì)平齊,斷裂起源于左側(cè)邊角處,即圖1（b）箭頭的交點(diǎn)處,并沿放射狀弧線向葉片另一端擴(kuò)展開裂。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 11170—2008 《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,使用直讀光譜儀對(duì)斷裂葉片進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂葉片的化學(xué)成分滿足GB/T 3280—2007 《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》對(duì)于316L不銹鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）分析

利用無水乙醇溶液超聲清洗斷裂葉片,并烘干。利用掃描電子顯微鏡對(duì)葉片的斷口及表面進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口處可見明顯的疲勞條帶,呈疲勞斷裂特征；葉片表面及邊緣斷口可見多條明顯的劃痕,以及多個(gè)明顯的凹坑。 

圖  2  葉片斷口和表面SEM形貌

1.4   金相檢驗(yàn)

分別在斷裂葉片和正常葉片的根部和中部取樣,對(duì)試樣進(jìn)行側(cè)剖、打磨、拋光、腐蝕處理,并置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂葉片根部和中部組織均為細(xì)小晶粒的奧氏體,未見明顯異常組織；正常葉片根部與中部組織也為細(xì)小晶粒的奧氏體,未見明顯異常組織。 

圖  3  斷裂葉片和正常葉片的顯微組織形貌

1.5   顯微硬度測(cè)試

分別在斷裂葉片和正常葉片的根部和中部取樣,對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂葉片和正常葉片的根部與中部硬度均滿足GB/T 3280—2007 《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》對(duì)316L不銹鋼的要求（≤220 HV）。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,葉片斷裂源位于葉輪根部,裂紋呈放射狀向葉片另一端延伸。葉片斷口平齊,無明顯的形變、裂紋等缺陷,可見明顯的斷裂紋路,呈疲勞斷口的典型特征。該形貌的形成原因?yàn)椋涸谘h(huán)交變應(yīng)力的作用下,裂紋尖端發(fā)生塑性鈍化。因此,可以排除因外物撞擊造成葉片斷裂的可能,該葉片斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。 

斷裂葉片的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,因此可以排除因混入雜質(zhì)元素而使葉片斷裂的可能[1]。斷裂葉片的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,因此可以排除因葉片自身硬度不足而造成葉片斷裂的可能。葉片斷口表面可見明顯的疲勞條帶,斷口根部與中部組織均為細(xì)小晶粒的奧氏體,未見明顯的異常組織。葉片表面可見大量明顯的劃痕和凹坑,劃痕和凹坑是裂紋源產(chǎn)生的重要原因[2]。劃痕和凹坑破壞了葉片表面的連續(xù)性,在工作載荷的作用下,葉片表面產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋,最終導(dǎo)致葉片斷裂[3]。葉輪在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng),使葉片受到激振力的作用,進(jìn)一步促進(jìn)了葉片的斷裂[4]。 

3.   結(jié)論

葉輪葉片表面有明顯的劃痕和凹坑,破壞了葉片表面的連續(xù)性,在工作載荷和葉片振動(dòng)產(chǎn)生的激振力作用下,葉片表面萌生裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致葉片斷裂。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)