真空泵葉片斷裂失效分析

真空泵葉片斷裂失效分析通過對真空泵葉片開展宏觀形貌分析、掃描電鏡分析和金相分析，同時開展了材料化學(xué)成分和拉伸力學(xué)性能測試，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。真空泵服役一年時發(fā)生斷裂失效，斷裂前無異常振動。鑒于國內(nèi)類似失效情況時有發(fā)生，為弄清其失效機(jī)理，故對其開展失效分析。

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。構(gòu)造在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞失效總是與構(gòu)造上的或材料內(nèi)部的應(yīng)力集中有關(guān)。真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為失效分析的重點(diǎn)是對這些裂紋起源點(diǎn)開展分析，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)取斷裂葉片開展分析。

首先采用著色探傷方法對葉片表面裂紋開展探測。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，這些地方也可能會擴(kuò)展為裂紋，如圖8所示。對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)性能測試

表1為葉片的化學(xué)成分分析結(jié)果。符合ASTMA744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)性能測試結(jié)果，屈服強(qiáng)度低于ASTMA744標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2拉伸測試結(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，最后剩余的截面缺陷以擔(dān)負(fù)外力作用而瞬時發(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)動進(jìn)入到液相時候，液體對葉片有周期性的沖擊作用;

(2)當(dāng)葉片在氣相部分轉(zhuǎn)動時候，氣體的湍流對葉片產(chǎn)生沖擊作用。

以上氣相和液相對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