叶轮螺栓断裂分析

某自来水厂引水用的进口潜水泵，运行八个月后发生故障，一个叶轮由于螺栓断裂而脱落。所用螺栓为M24内六角螺栓，材质系SUS316L。找到的一只断裂螺栓形貌（断裂于头部），见图1。在叶轮一螺孔内残留有另一只断裂螺栓的一端，该螺栓断于螺纹处，其断面仍清晰可见（图2）。

对螺栓螺纹处表面质量检查时发现，在螺纹起始区有断续状裂纹，见图3；近断口的螺纹底部有折叠状裂纹，见图4。

在头部断裂的螺栓断口形貌如图5,所示。断裂基本沿杆、头交界面发展，断口光滑，有划伤痕迹，可看到裂纹扩展区、起始源区和较粗糙的瞬断区。

沿螺纹处断裂的螺栓断口台阶明显，裂纹推进的海滩花样也清晰可见，如图6所示。圆周边缘有较典型的多源起始区，并扩展成两个平面，其中一个平面较小，约占1/4。

对头部断裂断口进行扫描电镜分析。在源区，可看到多源开裂发生在颈部转角处，该处还有未扩展的小裂纹，如图7所示。在扩展区，疲劳辉纹明显可见；局部区域还有二次裂纹，分别如图8、图9所示。在瞬断区，断口呈韧窝形貌，该区域狭长、较小，如图10所示。

综上分析，可知两只螺栓均属于低载荷有缺口应力集中条件下产生的单向弯曲疲劳断裂。螺纹根部和螺栓头颈部的缺口提供了应力集中点，同时，表面缺陷以及叶轮工作时断裂螺栓周边受力不均匀是诱发因素。

图1

说明：潜水泵安装螺栓断裂实物形貌。

图2

说明：残留在叶轮安装螺孔内的螺栓断面。

图3

说明：螺栓的螺纹起始区表面有断续分布的裂纹。

图4

说明：在螺栓近断裂处的螺纹底部有折叠状裂纹。

图5

说明：图1中螺栓断口形貌，螺栓头沿颈部断裂，其断口上有划伤痕迹。从断口形貌可判断疲劳源位于图中左侧螺纹根部（箭头所示处），疲劳贝纹线扩展过程中有倒弧形特征，疲劳区很大，占断口面积90%以上，说明螺栓属低名义应力下有应力集中条件的弯曲疲劳断裂。

图6

说明：图2中螺栓断口，沿螺纹处断裂，其断口上台阶、裂纹扩展贝纹线清晰可见，说明断口属多源疲劳断口，且裂源处有应力集中现象。

图7

说明：扫描电镜下断口源区形貌。该区可见多处裂纹起始点，均在颈部发生（图下方白区为加工表面）。

图8

图9

说明：扫描电镜下裂纹扩展区形貌。在其上有明显的疲劳辉纹，大都呈平行分布，在局部区域还有二次裂纹。

图10

说明：扫描电镜下瞬断区形貌，该区域狭长（图上方），呈典型的韧窝花样，它与奥氏体钢（316L）拉伸断口相对应。图下方为疲劳区。