往復(fù)耐久試驗(yàn)中辦公椅構(gòu)件斷裂失效分析

陳葉青,吳 歡,茅曄輝,吳益文,

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200072;2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局,上海200135)

往復(fù)耐久試驗(yàn)中辦公椅構(gòu)件斷裂失效分析

陳葉青1,吳 歡2,茅曄輝2,吳益文1,2

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200072;2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局,上海200135)

某批次辦公椅在往復(fù)耐久性試驗(yàn)中發(fā)生椅背斷裂失效。采用斷口觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、夾雜物檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡和能譜分析,對(duì)辦公椅椅背中內(nèi)置彈簧的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:彈簧的表面硬度分布不均勻,表面有脫碳現(xiàn)象,近表面有夾雜物;這些缺陷破壞了基體的連續(xù)性,在椅背往復(fù)耐久性試驗(yàn)中,產(chǎn)生了疲勞斷裂源;在多重應(yīng)力作用下裂紋快速擴(kuò)展,最終彈簧發(fā)生疲勞斷裂。

辦公椅;彈簧;疲勞斷裂;夾雜物;帶狀組織

圖1 椅背往復(fù)耐久性試驗(yàn)加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading of reciprocating durability test of the chair back

根據(jù)QB/T 2280—2007《辦公椅》的要求,辦公椅需要進(jìn)行椅背往復(fù)耐久性試驗(yàn),如圖1所示。試驗(yàn)時(shí),放置平衡載荷102 kg于椅座面中點(diǎn),利用加載設(shè)備對(duì)椅背加載445 N,往復(fù)12萬(wàn)次,座椅零部件若滿足無(wú)斷裂或豁裂現(xiàn)象、加載部位無(wú)明顯變形、座椅結(jié)構(gòu)無(wú)松動(dòng)等要求即為合格。某公司的某批次辦公椅在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí),在往復(fù)10～11萬(wàn)次的情況下椅背構(gòu)件發(fā)生斷裂失效。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)該構(gòu)件的內(nèi)置彈簧已斷裂,該彈簧的牌號(hào)是SWOSC-V,為進(jìn)口彈簧組件。采用斷口觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、夾雜物檢測(cè)等方法,對(duì)該批辦公椅椅背的斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口觀察

通過(guò)宏觀觀察發(fā)現(xiàn),桿件在中部斷裂,有少量的彎曲變形,其宏觀形貌如圖2(a)所示,斷口呈正斷斷口[1-2]。切取內(nèi)置彈簧的斷口,對(duì)其進(jìn)行超聲波清洗,然后放入掃描電鏡中觀察斷口的形貌,結(jié)果如圖2(b)所示。彈簧在交變載荷下發(fā)生斷裂,斷面無(wú)明顯的塑性變形,從斷口形貌可以看到明顯的放射條紋,初步確定該失效是脆性斷裂的彎曲疲勞失效[3-4]。根據(jù)放射條紋的收斂方向可以找到裂紋源,如圖2(b)所示,裂紋源在彈簧表面的中間位置,在裂紋源附近還發(fā)現(xiàn)有二次裂紋。疲勞裂紋產(chǎn)生于試件的表面位置,裂紋產(chǎn)生后沿著與軸線成45°角方向快速擴(kuò)展,形成放射條紋。

圖2 椅背桿件的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the chair back rod：

1.2 化學(xué)成分分析

在彈簧斷裂部位附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)JIS G3561—1994,可見(jiàn)該彈簧的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 彈簧的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of the chemical compositions of the spring（mass） %

1.3 硬度測(cè)試

在彈簧斷裂部位附近取樣,根據(jù)GB/T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表2。硬度測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),彈簧試樣表面中心部位的硬度為46～48 HRC,邊緣部位的硬度為48～50 HRC,中心部位的硬度偏低。

表2 彈簧表面硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness testing results of the spring surface

1.4 夾雜物檢測(cè)

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,在斷口附近取平行于縱軸方向的試樣作為夾雜物的檢驗(yàn)面,經(jīng)過(guò)磨制拋光后,用金相顯微鏡觀察彈簧中夾雜物的情況。經(jīng)檢驗(yàn),彈簧中夾雜物的等級(jí)為:A1,B1, C2,D2,符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求,但C類(lèi)和D類(lèi)夾雜物已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)上限。而且檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)有鏈狀式脆性?shī)A雜物分布在彈簧的近表面,如圖3所示,夾雜物嚴(yán)重破壞了基體的連續(xù)性,導(dǎo)致基體的強(qiáng)度和塑性降低,引起應(yīng)力集中,對(duì)彈簧的疲勞性能有很大的危害。

圖3 夾雜物的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of inclusions：

1.5 金相檢驗(yàn)

對(duì)彈簧邊緣處的組織進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示彈簧表面無(wú)明顯缺陷,比較光潔。根據(jù)GB/T 224—2008《鋼的脫碳層深度測(cè)定法》多次測(cè)量彈簧的脫碳層深度,結(jié)果顯示彈簧最大的總脫碳層深度約為0.05 mm,如圖4所示。

圖4 彈簧表面及脫碳層形貌Fig.4 Morphology of surface and decarburized layer of the spring

從斷口附近截取一段試樣,經(jīng)過(guò)磨制拋光后,用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精侵蝕后,在金相顯微鏡下觀察其組織形貌。如圖5所示,彈簧的顯微組織為回火屈氏體和針狀鐵素體,彈簧表面中間位置存在粗大的連續(xù)帶狀組織。

圖5 彈簧中的帶狀組織形貌Fig.5 Banded structure morphology in the spring

1.6 掃描電鏡和能譜分析

彈簧斷口的掃描電鏡形貌如圖6所示,從圖6 (a)的微觀形貌上可觀察到結(jié)晶小平面,結(jié)合宏觀斷口形貌可以進(jìn)一步確定該彈簧的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),斷口上存在一些夾雜物剝落而形成的孔洞,如圖6(b)所示。裂紋在擴(kuò)展的過(guò)程中遇到脆性?shī)A雜物,它的存在嚴(yán)重破壞了基體的連續(xù)性,加速了裂紋的擴(kuò)展,最終導(dǎo)致彈簧斷裂。

對(duì)彈簧斷口中的夾雜物進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果如圖7所示,可見(jiàn)夾雜物的成分主要為鉻、硅、氧、氮等元素,屬于氮化物和氧化物類(lèi)夾雜。

2 分析與討論

根據(jù)以上的理化檢驗(yàn)結(jié)果,導(dǎo)致彈簧斷裂的因素可能有以下幾個(gè)方面。

圖6 彈簧斷口的掃描電鏡形貌Fig.6 SEM morphology of the spring fracture：

圖7 夾雜物能譜分析結(jié)果Fig.7 EDSanalysis result of inclusions：

(1)彈簧表面硬度不均勻。彈簧淬火、回火后的組織為回火屈氏體和少量針狀鐵素體,具有較高的強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能。但是硬度測(cè)試結(jié)果顯示,彈簧表面的硬度分布不均勻,表面中心位置的硬度低于其他位置的硬度,這主要是由中心部位的帶狀組織造成的,鐵素體相對(duì)于屈氏體是塑性相,硬度較低。

(2)彈簧組織中存在夾雜物缺陷。夾雜物檢測(cè)發(fā)現(xiàn),C類(lèi)和D類(lèi)夾雜物已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)上限,且彈簧近表面分布有鏈狀式脆性?shī)A雜物,夾雜物嚴(yán)重破壞了基體的連續(xù)性,而且形變率低的脆性?shī)A雜物在鋼中不能很好地傳遞力,容易導(dǎo)致應(yīng)力集中,最后產(chǎn)生裂紋或者加速裂紋的擴(kuò)展。有文獻(xiàn)表明[5-6],相同的夾雜物分布在彈簧的不同位置時(shí),對(duì)疲勞性能的影響也會(huì)不同,當(dāng)服役過(guò)程中彈簧承受的最大應(yīng)力在表面區(qū)域時(shí),分布在表面或近表面的夾雜物對(duì)疲勞性能的危害會(huì)顯著增加。

(3)彈簧表面存在脫碳現(xiàn)象。表面狀態(tài)觀察結(jié)果顯示彈簧表面有一定程度的脫碳現(xiàn)象,而脫碳會(huì)嚴(yán)重影響零件的表面強(qiáng)度,降低疲勞性能。工藝上常常采用噴丸的方式使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,提高表面質(zhì)量,雖然噴丸可以通過(guò)產(chǎn)生壓應(yīng)力提高表面強(qiáng)度,進(jìn)而影響疲勞性能,但不能完全消除脫碳帶來(lái)的不利影響[7]。

(4)彈簧組織中存在帶狀組織。帶狀組織是由枝晶偏析造成的,在軋制過(guò)程中粗大的枝晶沿著軋制方向呈條帶狀分布,實(shí)際是碳及合金元素貧化帶和碳及合金元素富化帶彼此交替堆積的結(jié)果[8-9],熱處理后形成了以屈氏體為主和以鐵素體為主的兩種組織交替分布的形式。這兩種組織的彈性模量不同,屈氏體硬度要高于鐵素體硬度,在載荷的作用下,兩種組織不能很好地協(xié)調(diào)應(yīng)變,在兩個(gè)組織之間容易形成應(yīng)力集中,引起疲勞損傷和裂紋[10]。

綜上所述,彈簧粗大的帶狀組織和硬度分布不均勻,使彈簧在受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中,由于表面脫碳進(jìn)一步降低了表面強(qiáng)度,易產(chǎn)生裂紋,而近表面的夾雜物缺陷破壞了基體的連續(xù)性,導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展,最終彈簧斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1)結(jié)合斷口的宏觀形貌和顯微形貌觀察,可以判定該辦公椅內(nèi)置彈簧的斷裂屬于脆性的疲勞斷裂。

(2)彈簧表面中心位置,也就是裂紋源所在的位置存在粗大的連續(xù)帶狀組織,心部硬度偏低,且硬度分布不均勻,這也是導(dǎo)致此次疲勞斷裂的主要原因。其次近表面的夾雜物及脫碳也進(jìn)一步降低了彈簧的疲勞性能,加速了裂紋擴(kuò)展。

(3)為避免出現(xiàn)粗大的帶狀組織,建議提高鑄坯成分的均勻性,減少雜質(zhì)、提高純凈度,在后期要合理控制軋制工藝,在熱處理過(guò)程中合理控制冷卻速率,是消除和改善帶狀組織的關(guān)鍵。

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Analysis on Fracture Failure of Office Chair Components in Reciprocating Durability Test

CHEN Ye-qing1,WU Huan2,MAO Ye-hui2,WU Yi-wen1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China; 2.Shanghai Entry-Exit Inspection&Quarantine Bureau,Shanghai 200135,China)

During the reciprocating durability test of a batch of the office chairs,the chair backs fractured to failure.By means of fracture analysis,chemical composition analysis,hardness testing,inclusion inspection, metallographic inspection,scanning electron microscope(SEM)and energy spectrum(EDS)analysis,the reasons why internal springs of office chair backs fractured in reciprocating durability test were analyzed.The results show that:the hardness distribution of the spring surface was uneven,and there were surface decarburization on surface and the inclusions in subsurface;these defects destroyed the continuity of the matrix,leading to the crack source during reciprocating durability test;the cracks propagated rapidly under the multiple stress condition,and finally fatigue fracture occurred to the springs.

office chair;spring;fatigue fracture;inclusion;banded structure

TG115.2

:B

:1001-4012(2017)01-0042-04

10.11973/lhjy-wl201701010

2016-06-29

陳葉青(1991—),女,碩士,主要從事深冷處理的研究。

吳益文(1967—),男,高級(jí)工程師,碩士,主要從事力學(xué)性能及綠色再制造的研究,wuyw＠shciq.gov.cn。