压缩螺旋弹簧的断裂分析.pdf

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52mm的钢棒两端加热拔尖,整体加热卷制成外径为237mm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=6163.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 观测试验及结果 2.1 断口宏观观察 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- 断口微观观察 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0.52mm深度内的主断面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 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 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,抛光成金相试样后测洛氏硬度梯度,结果见图5.对照金相观察,淬硬层深度半马氏体深度约为17mm,表层硬度HRC=53,心部为HRC=35,这表明弹簧未被淬透,经计算断裂源处最大的磨削深度约为215mm.图3 断口的微观形貌 页码，2/4压缩螺旋弹簧的断裂分析2010-3-24http:/www.china- 图4 断簧表层的金相组织 图5 弹簧表层的硬度分布 2.5 表面应力测定 表面应力测定 采用日本理学MSF-2M型X射线应力仪测定断簧表面的周向残余应力.以CrK辐照-Fe的(211)晶面,用sin2法将0分别固定在0、15、30及45.多处测定结果显示,经热处理及喷丸处理后整个弹簧表面均处于压应力状态.内侧弧面未径喷丸,仅热处理产生的周向应力为-256MPa,端面再径磨削加工,喷丸处理后平均周向应力为-805MPa.由于热处理时整个弹簧未被淬透,淬火过程表层产生的周向热应力与组织应力均为压应力2,迭加后总的热处理应力为残余压应力.磨削后再经喷丸处理,测磨削应力基本已消除.因此,测得的端面周向应力与内侧弧面周向应力的差值-549MPa应是由喷丸产生的.3 断裂原因分析3 断裂原因分析 3.1 表层缺陷的形成 表层缺陷的形成 前已述及,磨削加工时原端面产生了新的马氏体相变层,这表明磨削时表层温度已大于弹簧材料60Si2Mn的Ac1点755,这样高的温度足以使磨面上的冷却水汽化,一部分氧原子,尤其是氢原子很容易被带入处于磨削拉应力状态的表层中并向内部扩散.尽管后续不断的磨加工也会削掉扩散到表层内的氧、氢原子,但具有很强扩散能力的氢原子仍会有部分残留在磨削面下的基体中,并随着磨加工的进行逐渐积累.表面新马氏体层形成时产生的残余压应力场还会把氢原子封入其下的亚表层中,使其不易向外逃逸.后来喷丸处理时,表层的残余应力场将重新分布.一般喷丸处理后外表层产生残余压应力,内表层伴生一相当的残余拉应力场3.此间,残存在淬硬层内处于压应力区域的氢原子会向拉应力区上坡扩散4,并稳定地富集在该区的晶界处,从而大大降低晶界强度,在较低的外力作用下就能导致沿晶开裂,形成表面网状微裂纹.虽然随后采取了干磨削以去除表面网状微裂纹和硬化层,但已残留在亚表层内的氢原子仍会沿晶界快速向基体扩散,同样,再次喷丸处理后还会形成氢致表面微裂纹,只不过微裂纹的形态变了,密度降低了.3.2 断裂过程的力学分析 断裂过程的力学分析 一般说来,等径的压缩螺旋弹簧承载时,簧丝的任一径向横截面主要受扭转应力作用5.端面向下位移时,由于拔尖区的横截面积较小,易于变形,而端面上第一圈与第二圈并圈处的径向横截面积最大,因此它是整个端面受扭力最大的位置1根据弹性应力分析6,弹簧横截面上的切应力、正应力的大小、方向均随位置而变,参照断簧实物图1,在裂纹源附近与扭转切应力成45的最大主应力的方向恰与主断面的法向平行(图6),这表明磨面下的实际断裂源是在正应力下沿晶开启的,起裂方向与表面径向磨削裂纹无关.断裂源一旦形成,型裂纹尖端应力场则会诱使周围的氢原子向裂纹前缘富集7.氢原子富集与主裂纹缓慢扩展交替进行,直到裂纹尺寸达到临界值而失稳扩展.这期间裂纹扩展依赖于时页码，3/4压缩螺旋弹簧的断裂分析2010-3-24http:/www.china- 主裂纹源A起裂,扩展过程的受力示意图 4 改进措施及结果4 改进措施及结果 综上分析,此批弹簧断裂是由高温磨削时冷却水汽化将氢带入基体中引起的.改进磨削工艺应减缓甚至消除氢致脆断.改进磨削工艺后的试验表明,始终采用干磨削加工端面,磨削后期适当降低磨面温度可完全消除表面微裂纹和氢致脆断.由此也印证本文对这批弹簧断裂的原因分析是正确的.若本文对您有所帮助，同时为了让更多人能看到此文章，请多宣传一下本站，支持本站发展；多谢！建议用 IE 1024*768 分辨率浏览本网站 版权所有(c)中国金相分析网 页码，4/4压缩螺旋弹簧的断裂分析2010-3-24http:/www.china-