某型號不銹鋼泵葉輪葉片在工作過程中發生斷裂現象,并造成葉輪失效報廢,其材料為316L不銹鋼。筆者采用一系列理化檢驗方法對葉片斷裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

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,斷口處相對平齊,斷裂起源于左側邊角處,即圖1（b）箭頭的交點處,并沿放射狀弧線向葉片另一端擴展開裂。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

依據GB/T 11170—2008 《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,使用直讀光譜儀對斷裂葉片進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：斷裂葉片的化學成分滿足GB/T 3280—2007 《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》對于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葉片的斷口及表面進行觀察,結果如圖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,以及多個明顯的凹坑。 

圖  2  葉片斷口和表面SEM形貌

1.4   金相檢驗

分別在斷裂葉片和正常葉片的根部和中部取樣,對試樣進行側剖、打磨、拋光、腐蝕處理,并置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖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   顯微硬度測試

分別在斷裂葉片和正常葉片的根部和中部取樣,對試樣進行顯微硬度測試,結果如表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316L不銹鋼的要求（≤220 HV）。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,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。該形貌的形成原因為：在循環交變應力的作用下,裂紋尖端發生塑性鈍化。因此,可以排除因外物撞擊造成葉片斷裂的可能,該葉片斷裂性質為疲勞斷裂。 

斷裂葉片的化學成分滿足標準要求,因此可以排除因混入雜質元素而使葉片斷裂的可能[1]。斷裂葉片的硬度滿足標準要求,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生的重要原因[2]。劃痕和凹坑破壞了葉片表面的連續性,在工作載荷的作用下,葉片表面產生應力集中并萌生裂紋,最終導致葉片斷裂[3]。葉輪在正常運轉過程中會出現振動,使葉片受到激振力的作用,進一步促進了葉片的斷裂[4]。 

3.   結論

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性,在工作載荷和葉片振動產生的激振力作用下,葉片表面萌生裂紋,裂紋不斷擴展,最終導致葉片斷裂。

文章來源——材料與測試網