通過對真空泵葉片進行宏觀形貌分析、掃描電鏡分析和金相分析，同時進行了材料化學成分和拉伸力學性能測試，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致真空泵葉片疲勞斷裂。

1、前言

　　某廠液環式真空泵的葉片在服役過程中發生了斷裂失效。泵的葉輪是一偏心葉輪，介質主要為硅油和氮氣，材料為CF8M( 美國標準中的一種不銹鋼) 。真空供液泵吸入口額定功率為78kW，轉速為735r /min。真空泵服役一年時發生斷裂失效，斷裂前無異常振動。鑒于國內類似失效情況時有發生，為弄清其失效機理，故對其進行失效分析。

　　該失效偏心葉輪其中一只葉片從根部發生斷裂，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，可以發現，葉片斷口凸凹不平，但局部區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就是疲勞裂紋的起源點。從圖還可以看出該葉片斷裂是多點起裂的。結構在循環載荷下發生疲勞失效總是與結構上的或材料內部的應力集中有關。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為失效分析的重點是對這些裂紋起源點進行分析，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 為裂紋擴展區的疲勞輝紋。鑄造疏松引起應力集中，成為起裂點，在循環載荷作用下發生疲勞失效，可以推斷此處是鑄造疏松導致的疲勞開裂。

圖3 起裂點SEM 形貌

圖4 鑄造疏松

圖5 裂紋擴展區的疲勞輝紋

2.2、斷裂葉片上裂紋研究

　　為了證實葉片是由于鑄造缺陷而引起的斷裂，現取斷裂葉片進行分析。

　　首先采用著色探傷方法對葉片表面裂紋進行探測。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，是在內部某個出現鑄造疏松的位置，之后裂紋經疲勞擴展，擴展區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

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，還發現了由于鑄造缺陷而形成的疏松，這些地方也可能會擴展為裂紋，如圖8 所示。對試樣的另一表面做掃描電鏡，同樣發現了鑄造疏松。說明葉片表面和內部都有鑄造疏松，這些鑄造疏松缺陷都是應力集中點，都可能是裂紋起源點。

圖8 鑄造疏松

2.3、金相觀察

　　圖9 為裂紋的金相顯微形貌，未發現組織缺陷。

圖9 裂紋金相照片( x100)

2.4、材料化學成分和力學性能測試

　　表1 為葉片的化學成分分析結果。符合ASTM A744 中CF8M 不銹鋼的化學成分。

表1 化學成分分析結果( w%)

　　表2 為葉片拉伸力學性能測試結果，屈服強度低于ASTM A744 標準要求。

表2 拉伸測試結果

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，由于斷下來的葉片有過摩擦，多數起裂點被覆蓋，未被覆蓋的起裂點上觀察到鑄造疏松缺陷。在交變載荷作用下，鑄造疏松成為應力集中點進而形成疲勞裂紋。

3.2、裂紋的擴展和瞬時斷裂

　　裂紋擴展區有平行的疲勞輝紋，這是由于葉片受到交變載荷的作用，形成疲勞裂紋。當疲勞裂紋擴展到一定程度后，最后剩余的截面不足以承擔外力作用而瞬時發生斷裂。這部分斷口從宏觀上看是灰暗的。

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生多起疲勞裂紋，然后這些裂紋疲勞擴展并互相相連，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) 當葉片轉動進入到液相時候，液體對葉片有周期性的沖擊作用;

　　(2) 當葉片在氣相部分轉動時候，氣體的湍流對葉片產生沖擊作用。

　　以上氣相和液相對葉片的作用造成了葉片旋轉的交變載荷條件，當葉片存在應力集中( 鑄造疏松) 時便產生了疲勞開裂。

4、結語

　　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力集中，產生疲勞裂紋。葉片的根部受力最大，裂紋疲勞擴展最快，所以葉片最后在根部斷裂。因此，需要提高鑄件的質量，避免鑄造疏松等缺陷。