压缩螺旋弹簧的断裂分析VIP专享VIP免费

欢迎访问中国金相分析网您现在位置：失效分析>弹簧失效分析压缩螺旋弹簧的断裂分析于志伟1,季士军1,史雅琴1,孙俊才1,张晓2(1.大连海事大学金属材料工艺研究所,辽宁大连116026;2.沈阳工学院专科学校辽宁沈阳110015)摘要:通过观察断口的宏观痕迹、微观形态以及金相组织,并辅以测定表面宏观残余应力、硬度梯度等试验,对一动力机械上的圆柱形压缩螺旋弹簧的断裂原因进行了较为细致的分析.结果表明,此批弹簧断裂是由磨削加工不当在磨剂端面下亚表层产生了氢致沿晶开裂带,弹簧服役承载时在正应力的作用下发生了氢滞后脆性断裂.改进磨削工艺后弹簧脆断现象完全消除.关键词:弹簧;磨削加工;氢致脆断弹簧是机械产品中的重要基础元件之一,弹簧的性能质量直接影响着整个设备的运行安全和效率.有关结构设计、材料、生产工艺过程以及服役环境等方面原因而导致弹簧失效的故障分析有许多报导[1],但从材料工艺角度细致的观测分析工作并不多见.由于弹簧的种类繁多,应用面广,随着各种新技术、新工艺引入弹簧的生产制造,弹簧的失效形式、部位也常常表现各异,尽管对某一具体弹簧的失效分析并不一定具有普遍的指导意义,但找到失效原因,对提高产品质量,避免类似事故发生仍有很强的实用性.本文通过较细致地观测一例弹簧断裂特征来分析失效原因.1情况概述某厂生产的动力机械设备弹簧材料为60Si2Mn,制造工序依次为:将直径为Φ52mm的钢棒两端加热拔尖,整体加热卷制成外径为Φ237mm的等径螺旋形簧坯,然后将其置于热处理炉中870℃加热1h,取出空冷1min随即水淬冷至150℃,再入炉430℃回火8h.簧坯两端面在磨簧机上磨平,因磨削时温度很高,所以始终采用喷水冷却磨面.最后经整体喷丸处理便制成圆柱形压缩螺旋弹簧成品.按以上工艺流程制造的一批弹簧装机试运行10多分钟便发生断裂,检验发现裂纹源位于磨面附近,整个磨面布满了网状微裂纹,磨面下出现约0.4mm厚白亮层,其硬度达HRC=61～63.厂方认为这批弹簧的断裂原因是由磨削加工时表层发生淬火现象引起的,表层马氏体受拉应力而开裂形成表面微裂纹从而导致了弹簧断裂.基于这样认识,为挽救余下尚未使用的成品弹簧,便改用干磨削加工以去除表面微裂纹和硬化层,磨面再重新喷丸处理,经检验合格后装机使用,在1.8t正常负荷下运行了几小时也相继发生了断裂,如图1所示.图1断裂弹簧的实物照片图2断口的宏观形貌2观测试验及结果2.1断口宏观观察页码，1/4压缩螺旋弹簧的断裂分析2010-3-24http://www.china-metallography.com/china-met05/06-spring/spring003.htm此批弹簧的断裂部位均出现在端面上第一圈与第二圈并圈附近,如图1所示.从断口的宏观形貌可见,断口上出现两个裂纹扩展面Ⅰ、Ⅱ,两面夹角约90°,根据断口上遗留的裂纹扩展痕迹可判断出两宏观断面的断裂次序:断面Ⅰ→断面Ⅱ,主裂纹源位于主断面Ⅰ与磨削面交界线上的中点A,主裂纹自端面起向下扩展,外侧扩展速度较快,内侧扩展速度较慢,当主裂纹前缘扩展至下部边缘B点,便引发二次裂纹在二次断面Ⅱ沿箭头所指方向扩展,直至完全断裂.两次断裂均属瞬时断裂.仔细观察还可发现,在靠近断口的磨削面上还出现了许多径向表面微裂纹,这些微裂纹的方向与该处的磨削方向垂直,与主断面Ⅰ约成45°角.2.2断口微观观察采用JSM235CF扫描电子显微镜观察断口的微观形貌.在主裂纹源A观察到一个半径为0.5mm的半圆形凹坑[图3(a)],坑壁形貌呈沿晶断裂特征——冰糖状花样[图3(b)],此外,在距磨削面下0.5～2mm深度内的主断面É上还观察到一个带状的沿晶开裂区[图3(c)],在此区内的断面下层仍呈现沿晶开裂[图3(d)],在其后的裂纹快速扩展区及二次断面Ê的整个区域,断口形貌以准解理和萘状断口为主.2.3金相组织观察在断口附近的磨削面上沿周向垂直于表面微裂纹截取一金相试样,经抛光,4%硝酸酒精溶液浸蚀后置于扫描电镜下观察金相组织及表面裂纹.观察发现靠近磨削面的微裂纹粗而宽,内含一些氧化物杂质[图4(a)],这些微裂纹沿晶界曲折向内延伸变细[图4(b)],微裂纹总深度约为015mm,这些微裂纹是典型的磨削裂纹.从图4(a)还可看出磨削面下的金相组织为回火屈氏体,心部金相组织以珠光体为主.2.4硬度测试为了解热处理弹簧的淬硬层深度,在断口附近沿径向取一横截面,抛光成金...