分享：不锈钢泵叶轮叶片断裂原因

某型号不锈钢泵叶轮叶片在工作过程中发生断裂现象,并造成叶轮失效报废,其材料为316L不锈钢。笔者采用一系列理化检验方法对叶片断裂的原因进行分析,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂叶片的宏观形貌如图1所示。由图1可知：叶片整体及断口处均未见明显塑性变形,断口处相对平齐,断裂起源于左侧边角处,即图1（b）箭头的交点处,并沿放射状弧线向叶片另一端扩展开裂。 

图  1  断裂叶片的宏观形貌

1.2   化学成分分析

依据GB/T 11170—2008 《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》,使用直读光谱仪对断裂叶片进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂叶片的化学成分满足GB/T 3280—2007 《不锈钢冷轧钢板和钢带》对于316L不锈钢的要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）分析

利用无水乙醇溶液超声清洗断裂叶片,并烘干。利用扫描电子显微镜对叶片的断口及表面进行观察,结果如图2所示。由图2可知：断口处可见明显的疲劳条带,呈疲劳断裂特征；叶片表面及边缘断口可见多条明显的划痕,以及多个明显的凹坑。 

图  2  叶片断口和表面SEM形貌

1.4   金相检验

分别在断裂叶片和正常叶片的根部和中部取样,对试样进行侧剖、打磨、抛光、腐蚀处理,并置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知：断裂叶片根部和中部组织均为细小晶粒的奥氏体,未见明显异常组织；正常叶片根部与中部组织也为细小晶粒的奥氏体,未见明显异常组织。 

图  3  断裂叶片和正常叶片的显微组织形貌

1.5   显微硬度测试

分别在断裂叶片和正常叶片的根部和中部取样,对试样进行显微硬度测试,结果如表2所示。由表2可知：断裂叶片和正常叶片的根部与中部硬度均满足GB/T 3280—2007 《不锈钢冷轧钢板和钢带》对316L不锈钢的要求（≤220 HV）。 

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知,叶片断裂源位于叶轮根部,裂纹呈放射状向叶片另一端延伸。叶片断口平齐,无明显的形变、裂纹等缺陷,可见明显的断裂纹路,呈疲劳断口的典型特征。该形貌的形成原因为：在循环交变应力的作用下,裂纹尖端发生塑性钝化。因此,可以排除因外物撞击造成叶片断裂的可能,该叶片断裂性质为疲劳断裂。 

断裂叶片的化学成分满足标准要求,因此可以排除因混入杂质元素而使叶片断裂的可能[1]。断裂叶片的硬度满足标准要求,因此可以排除因叶片自身硬度不足而造成叶片断裂的可能。叶片断口表面可见明显的疲劳条带,断口根部与中部组织均为细小晶粒的奥氏体,未见明显的异常组织。叶片表面可见大量明显的划痕和凹坑,划痕和凹坑是裂纹源产生的重要原因[2]。划痕和凹坑破坏了叶片表面的连续性,在工作载荷的作用下,叶片表面产生应力集中并萌生裂纹,最终导致叶片断裂[3]。叶轮在正常运转过程中会出现振动,使叶片受到激振力的作用,进一步促进了叶片的断裂[4]。 

3.   结论

叶轮叶片表面有明显的划痕和凹坑,破坏了叶片表面的连续性,在工作载荷和叶片振动产生的激振力作用下,叶片表面萌生裂纹,裂纹不断扩展,最终导致叶片断裂。

文章来源——材料与测试网