液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟形彈簧斷裂原因分析

王建偉，宋 超，張地生

(西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司，西安 710018)

0 引言

碟形彈簧是用金屬板料或鍛壓坯料加工成圓錐形截面，能承受軸向負(fù)荷的墊圈式彈簧。碟形彈簧可分為無(wú)支承面和有支承面2種，可以單個(gè)使用，也可對(duì)合組合、疊合組合或復(fù)合組合成碟形彈簧組使用，承受靜負(fù)荷或變負(fù)荷。碟形彈簧的工藝過(guò)程:下料→車加工→去毛刺→消除應(yīng)力→成形→熱處理→強(qiáng)壓→噴丸→表面處理。

50CrVA鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高，加入V使鋼的晶粒細(xì)化，降低過(guò)熱敏感性，提高了強(qiáng)度和韌性，具有高的疲勞強(qiáng)度，屈服比也較高，是一種較高級(jí)彈簧鋼，廣泛應(yīng)用于液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的碟形彈簧。

由于單片碟形彈簧的變形量和負(fù)荷值往往不能滿足使用要求，須采用疊合組合，組成碟形彈簧組合件時(shí)，碟形彈簧片之間由于摩擦而具有較大的阻尼，可消散沖擊能量。碟形彈簧是在軸向上呈錐形并承受負(fù)載的特殊彈簧，在承受負(fù)載變形后，儲(chǔ)蓄一定的勢(shì)能，其應(yīng)力分布由里到外均勻遞減，能夠?qū)崿F(xiàn)低行程高補(bǔ)償力的效果。碟形彈簧單位體積的變形能較大，用于吸收沖擊和消散能量，但在受到載荷長(zhǎng)期沖擊作用時(shí)，易產(chǎn)生徑向貫穿裂紋［1－4］。碟形彈簧工作時(shí)位于其凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處，承載最大交變切應(yīng)力，疲勞裂紋源往往在此處產(chǎn)生并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致零部件斷裂失效。在變應(yīng)力工作下的零件，疲勞斷裂是最主要的失效形式之一［5－7］。

2012年8月，2種型號(hào)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品所使用的碟形彈簧發(fā)生斷裂失效。圖1a為8片碟形彈簧裝配狀態(tài)圖，設(shè)計(jì)使用壽命為動(dòng)作1.2萬(wàn)次，其在操作了300次發(fā)生斷裂，斷口如圖1b，編號(hào)為試樣1;圖2a為16片碟形彈簧裝配狀態(tài)圖，該碟形彈簧操作了600次發(fā)生了斷裂，斷口如圖2b，編號(hào)為試樣2。發(fā)生斷裂失效的2種型號(hào)碟形彈簧材質(zhì)均為50CrVA，規(guī)格為外徑550mm，內(nèi)徑200mm，厚度17mm，高度38.5mm。為尋求斷裂失效原因，對(duì)斷裂碟形彈簧的斷口剖面進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)并進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

將試樣1和試樣2分別銑平打磨后，采用ARL 3460直讀光譜儀(OES)對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，試樣1和試樣2的化學(xué)成分基本相同，且均符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中對(duì)50CrVA鋼的技術(shù)要求。

圖1 8片碟形彈簧與斷口宏觀形貌Fig.1 8－piece disc spring and macro morphology of the fracture

圖2 16片碟形彈簧與斷口宏觀形貌Fig.2 16－piece disc spring and macro morphology of the fracture

表1 碟形彈簧的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical compositions of disc spring(mass fraction/%)

1.2 硬度測(cè)試

將銑平打磨后的試樣1和試樣2分別進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，試樣1和試樣2的6個(gè)硬度平均值接近，且符合 GB/T 1972—2005《碟形彈簧》的要求。

表2 碟形彈簧的洛氏硬度Table 2 Rockwell hardness of disc spring

1.3 斷口宏觀分析

由圖1b和圖2b可以看出，試樣1和試樣2的宏觀斷口均存在明顯的疲勞裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，屬于疲勞斷口，其疲勞裂紋源均發(fā)生在碟形彈簧凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處，二者的擴(kuò)展方式也相似［8－10］。

1.4 顯微分析

試樣1和試樣2經(jīng)鑲嵌、磨拋、腐蝕后用金相顯微鏡及掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察(圖3)，可以看出，試樣1和試樣2的顯微組織均為由鐵素體基體與大量彌散分布的細(xì)粒狀滲碳體混合而成的回火屈氏體［11－12］。表面有極微量的脫碳現(xiàn)象，可忽略不計(jì)。

在試樣1和試樣2的垂直斷口剖面觀察到存在一些多邊形小空隙，即一般疏松，如圖4所示。一般疏松主要是由于在鋼錠凝固過(guò)程中，晶間部位最后凝固收縮和放出氣體而產(chǎn)生的小空隙，且這些空隙在后續(xù)熱加工過(guò)程中未被焊合。疏松不利于碟形彈簧疲勞強(qiáng)度，尤其位于受最大切應(yīng)力的碟形彈簧凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處［13］。

圖3 試樣顯微組織Fig.3 Microstructure of samples

圖4 試樣1垂直斷口截面Fig.4 Vertical section of the fracture(sample 1)

1.5 掃描電鏡分析

1)斷裂件表面缺陷分析。

將試樣1和試樣2用超聲波清洗后，在掃描電鏡下觀察其形貌。在試樣2的表面發(fā)現(xiàn)存在裂紋、疤痕和折迭等缺陷。表面微裂紋在熱壓力加工過(guò)程形成，機(jī)加工時(shí)未被切除而留在零部件上。宏觀裂紋如圖5a，其縫隙中黑色物質(zhì)的能譜圖如圖5b，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:38.42%O，15.20%C，22.48%Zn，10.70%P，10.56%Fe，2.65%Mn，可見(jiàn)縫隙中的物質(zhì)主要是Fe的氧化物［14－15］。表面折迭如圖6a，折迭是由于在熱壓力加工過(guò)程中將坯料的邊皮、表面疤痕、尖銳棱角等折附到鋼材表面，機(jī)加工過(guò)程中未被完全切除。表面疤痕如圖6b，它對(duì)碟形彈簧的疲勞強(qiáng)度有一定損害。

2)斷裂件斷口分析。

試樣1的疲勞裂紋源區(qū)如圖7a，此處還是疏松較集中部位(圖7b)，由能譜分析知，某些空隙中基體晶體表面覆蓋有氧化鐵(圖7c)。這些空隙自試樣表面已貫通到表面內(nèi)部而形成預(yù)裂紋，在碟形彈簧凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處最大交變切應(yīng)力作用下，預(yù)裂紋優(yōu)先發(fā)展成疲勞裂紋源。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口由一些細(xì)小的窩坑構(gòu)成，形貌呈韌窩狀［16］(圖7d)。

圖5 試樣2宏觀裂紋及其能譜圖Fig.5 Macrocracks and energy spectrum of sample 2

圖6 試樣2表面缺陷Fig.6 Surface defects of sample 2

圖7 試樣1表面微裂紋及其能譜圖Fig.7 Surface macrocracks and energy spectrum of sample 1

試樣2的疲勞裂紋源區(qū)如圖8a，也發(fā)生在凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處，該區(qū)是疏松較集中部位(圖8b)，由能譜分析可知，某些空隙中基體晶體表面覆蓋有滲入的磷化液結(jié)晶體(圖8c)，表明這些空隙也聯(lián)通了試樣表面和表面內(nèi)部而形成預(yù)裂紋，優(yōu)先發(fā)展成疲勞裂紋源。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌也呈韌窩狀(圖8d)。

圖8 試樣2表面微裂紋及其能譜圖Fig.8 Surface micro cracks and energy spectrum of sample 2

2 分析與討論

疲勞源一般在表面形成，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，如脆性?shī)A雜物、空洞、成分偏析，或進(jìn)行了某種表面處理等，也可能在“皮下”或內(nèi)部產(chǎn)生，由圖7a、圖7b可以看出，試樣1的疲勞裂紋源處存在較集中的疏松。疲勞源的數(shù)目有時(shí)不止1個(gè)，尤其是低周疲勞，斷口常有幾個(gè)位于不同位置的疲勞核心。

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞斷口上最重要的特征區(qū)域，很多情況下，它占據(jù)了斷口的大部分區(qū)域。在此區(qū)內(nèi)，表面比疲勞源區(qū)粗糙、發(fā)暗，?？梢?jiàn)一些以裂紋源為中心，向四周擴(kuò)散，垂直于裂紋擴(kuò)展方向的一簇弧形條紋(圖1b、圖2b)。疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸后失穩(wěn)擴(kuò)展形成瞬斷區(qū)，它的特征與靜載拉伸斷口中快速斷裂的放射區(qū)及剪切唇相似，放射區(qū)和剪切唇的有無(wú)、大小與材料的特征及載荷歷程有關(guān)［17］。

碟形彈簧斷裂件試樣1和試樣2發(fā)生早期疲勞斷裂，主要是由于碟形彈簧凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處存在較集中的疏松孔隙，且有的貫通至表面而形成預(yù)裂紋，其在最大交變切應(yīng)力作用下造成應(yīng)力集中，預(yù)裂紋優(yōu)先發(fā)展成疲勞裂紋源并導(dǎo)致碟形彈簧斷裂［5］，碟形彈簧表面存在的折迭、微裂紋和疤痕也是碟形彈簧失效的安全隱患。

3 結(jié)論及建議

1)碟形彈簧斷口微觀特征為韌窩，表明彈簧受到的疲勞應(yīng)力較大，在碟形彈簧凹面內(nèi)環(huán)面和端面交界處存在較集中的疏松孔隙，且有的貫通至表面而形成預(yù)裂紋，在使用過(guò)程中可能存在受力不均，使得局部應(yīng)力過(guò)大最大交變切應(yīng)力作用下造成應(yīng)力集中，預(yù)裂紋優(yōu)先發(fā)展成疲勞裂紋源并擴(kuò)展導(dǎo)致碟形彈簧斷裂。

2)盡可能降低零件上應(yīng)力集中的影響，如增大過(guò)渡圓角半徑、同一零件上相鄰截面處的剛性變化盡可能小等。

3)選用疲勞強(qiáng)度高的材料和規(guī)定能夠提高材料疲勞強(qiáng)度的熱處理方法及強(qiáng)化工藝。

4)提高零件的表面質(zhì)量，如提高處在應(yīng)力較高區(qū)域零件表面的光潔度，對(duì)于工作在腐蝕性介質(zhì)中的零件規(guī)定適當(dāng)?shù)谋砻姹Ｗo(hù)等。

［1］崔約賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998:77－80.

［2］吳連生.失效分析技術(shù)［M］.成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985:57－62.

［3］鐘群鵬.失效分析基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:81－86.

［4］郝小波，劉訓(xùn)志，周家勇.某碟形彈簧疲勞失效分析［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2011，18(7):3－4.

［5］夏書(shū)敏，劉超英.50CrVA鋼蝶形墊圈斷裂失效分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000，29(2):56－58.

［6］田琴，雷源源，楊明，等.50CrVA彈簧生產(chǎn)過(guò)程中的斷裂分析［J］.鑄造技術(shù)，2010，31(3):259－261.

［7］孫捷，陳佳，曹新鑫，等.鐵路貨車減振彈簧斷裂分析［J］.熱加工工藝，2004(9):54－55.

［8］韓晶，徐巍.彈簧斷裂原因分析［J］.理化檢驗(yàn):物理分冊(cè)，2006，42(5):258－259.

［9］Zhang J M，Li S X，Yang Z G，et al.Influence of inclusion size on fatigue behavior of high strength steels in the gigacycle fatigue regime［J］.International Journal of Fatigue，2007，29(4):765－771.

［10］Melander A，Larsson M.The effect of strss amplitude on the cause offatigue crack initiation in a spring steel［J］.International Journal of Fatigue，1993，15(2):119－131.

［11］惠衛(wèi)軍，董瀚，陳思聯(lián).非金屬夾雜物和表面形狀對(duì)高強(qiáng)度彈簧鋼疲勞性能的影響［J］.特殊鋼，1998，19(6):8－14.

［12］王學(xué)顏，宋廣惠.結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)與失效分析［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1992:24－27.

［13］張煒，楊冬，李潤(rùn)哲，等.50CrVA鋼的工藝優(yōu)化及其在鋼板彈簧產(chǎn)品中的應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，2012(1):56－57.

［14］趙江濤，陳文革.螺旋彈簧觸指及其材料的研究與進(jìn)展［J］.上海電氣技術(shù)，2012，5(4):30－36.

［15］佟艷海，李麗波，佟娜.小型碟形彈簧的工藝改進(jìn)［J］.軸承，2003，23(5):316－320.

［16］Marsman H J B，Stricker R，Wijnaendts Van Resandt R W，et al.Mechanical scan system for microscopic applications［J］.Review of Scientific Instruments，1983，54(8):1047－1052.