通過對(duì)真空泵葉片進(jìn)行宏觀形貌分析、掃描電鏡分析和金相分析，同時(shí)進(jìn)行了材料化學(xué)成分和拉伸力學(xué)性能測(cè)試，綜合討論得出真空泵葉片斷裂原因：由于材料的鑄造缺陷導(dǎo)致真空泵葉片疲勞斷裂。

1、前言

　　某廠液環(huán)式真空泵的葉片在服役過程中發(fā)生了斷裂失效。泵的葉輪是一偏心葉輪，介質(zhì)主要為硅油和氮?dú)�，材料為CF8M( 美國標(biāo)準(zhǔn)中的一種不銹鋼) 。真空供液泵吸入口額定功率為78kW，轉(zhuǎn)速為735r /min。真空泵服役一年時(shí)發(fā)生斷裂失效，斷裂前無異常振動(dòng)。鑒于國內(nèi)類似失效情況時(shí)有發(fā)生，為弄清其失效機(jī)理，故對(duì)其進(jìn)行失效分析。

　　該失效偏心葉輪其中一只葉片從根部發(fā)生斷裂，而這只葉片斷裂后在葉輪的小半徑處被卡住，將與它相鄰的3 個(gè)葉片沖擊變形，如圖1 所示。圖2 為葉片的斷口形貌，可以發(fā)現(xiàn)，葉片斷口凸凹不平，但局部區(qū)域有比較光滑的斷口。從斷口上可以看到貝殼紋和很多放射狀的條紋，說明斷裂形式為疲勞斷裂，這些放射狀條紋的集中點(diǎn)就是疲勞裂紋的起源點(diǎn)。從圖還可以看出該葉片斷裂是多點(diǎn)起裂的。結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞失效總是與結(jié)構(gòu)上的或材料內(nèi)部的應(yīng)力集中有關(guān)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為失效分析的重點(diǎn)是對(duì)這些裂紋起源點(diǎn)進(jìn)行分析，看是否有原始缺陷，從而判斷裂紋的起裂原因。

圖1 失效葉輪

圖2 葉片斷口形貌

2、原因分析

2.1、斷口掃描電鏡分析

　　圖3 為葉片斷口上某一起裂點(diǎn)SEM 形貌，SEM 顯示起裂處為高溫熔化形成的球狀形貌，是典型的鑄造疏松特征，圖4 為其放大圖。圖5 為裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋。鑄造疏松引起應(yīng)力集中，成為起裂點(diǎn)，在循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞失效，可以推斷此處是鑄造疏松導(dǎo)致的疲勞開裂。

圖3 起裂點(diǎn)SEM 形貌

圖4 鑄造疏松

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋

2.2、斷裂葉片上裂紋研究

　　為了證實(shí)葉片是由于鑄造缺陷而引起的斷裂，現(xiàn)取斷裂葉片進(jìn)行分析。

　　首先采用著色探傷方法對(duì)葉片表面裂紋進(jìn)行探測(cè)。從中選取一條裂紋，從中剖開，一組做剖面金相觀察，一組把裂紋掰開，做掃描電鏡觀察其斷口形貌。從掃描電鏡( 如圖6) 中可以看出，裂紋不是在葉片表面起源的，是在內(nèi)部某個(gè)出現(xiàn)鑄造疏松的位置，之后裂紋經(jīng)疲勞擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)有河流花樣的解理臺(tái)階。說明此處也是由于鑄造缺陷而引起的疲勞裂紋。從葉片上切取一塊試樣對(duì)表面做掃描電鏡，如圖7 所示，表面有許多微裂紋。

圖6 起裂區(qū)

圖7 葉片試樣微裂紋

　　掃描電鏡除了觀察到葉片受力面上微裂紋外，還發(fā)現(xiàn)了由于鑄造缺陷而形成的疏松，這些地方也可能會(huì)擴(kuò)展為裂紋，如圖8 所示。對(duì)試樣的另一表面做掃描電鏡，同樣發(fā)現(xiàn)了鑄造疏松。說明葉片表面和內(nèi)部都有鑄造疏松，這些鑄造疏松缺陷都是應(yīng)力集中點(diǎn)，都可能是裂紋起源點(diǎn)。

圖8 鑄造疏松

2.3、金相觀察

　　圖9 為裂紋的金相顯微形貌，未發(fā)現(xiàn)組織缺陷。

圖9 裂紋金相照片( x100)

2.4、材料化學(xué)成分和力學(xué)性能測(cè)試

　　表1 為葉片的化學(xué)成分分析結(jié)果。符合ASTM A744 中CF8M 不銹鋼的化學(xué)成分。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果( w%)

　　表2 為葉片拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，屈服強(qiáng)度低于ASTM A744 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 拉伸測(cè)試結(jié)果

3、討論

3.1、裂紋起裂

　　斷口的宏觀圖片上可以看到有多個(gè)起裂點(diǎn)，由于斷下來的葉片有過摩擦，多數(shù)起裂點(diǎn)被覆蓋，未被覆蓋的起裂點(diǎn)上觀察到鑄造疏松缺陷。在交變載荷作用下，鑄造疏松成為應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)而形成疲勞裂紋。

3.2、裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂

　　裂紋擴(kuò)展區(qū)有平行的疲勞輝紋，這是由于葉片受到交變載荷的作用，形成疲勞裂紋。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度后，最后剩余的截面不足以承擔(dān)外力作用而瞬時(shí)發(fā)生斷裂。這部分?jǐn)嗫趶暮暧^上看是灰暗的。

3.3、葉片斷裂過程

　　圖10 所示為葉片斷裂過程示意，首先在受力面根部存在的鑄造疏松處產(chǎn)生多起疲勞裂紋，然后這些裂紋疲勞擴(kuò)展并互相相連，最后瞬時(shí)斷裂。

圖10 葉片斷裂示意

3.4、交變載荷來源

　　葉片的失效形式為疲勞開裂，疲勞開裂一定存在交變載荷。真空泵在氣液兩相介質(zhì)中工作，必然受到氣液兩相對(duì)葉片的沖擊作用，而葉片的交變載荷來源有:

　　(1) 當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入到液相時(shí)候，液體對(duì)葉片有周期性的沖擊作用;

　　(2) 當(dāng)葉片在氣相部分轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，氣體的湍流對(duì)葉片產(chǎn)生沖擊作用。

　　以上氣相和液相對(duì)葉片的作用造成了葉片旋轉(zhuǎn)的交變載荷條件，當(dāng)葉片存在應(yīng)力集中( 鑄造疏松) 時(shí)便產(chǎn)生了疲勞開裂。

4、結(jié)語

　　葉片為CF8M 不銹鋼鑄件，斷裂形式為多起源的疲勞斷裂。葉片存在原始鑄造疏松缺陷，鑄造疏松處材料性能下降，在交變載荷作用下形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。葉片的根部受力最大，裂紋疲勞擴(kuò)展最快，所以葉片最后在根部斷裂。因此，需要提高鑄件的質(zhì)量，避免鑄造疏松等缺陷。