55CrSi 彈簧斷裂原因分析

高文香，高玉周

（大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

0 引言

彈簧在產(chǎn)生及恢復(fù)變形時(shí)，利用材料的彈性和自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把機(jī)械能或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡埽ɑ蛘甙研巫兡苻D(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能或機(jī)械能），具有緩沖平衡、減震、機(jī)械儲(chǔ)能、控制運(yùn)動(dòng)、定位等功能，是機(jī)械零件的重要基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械儀表、電器、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域[1-3]。工作過程中，彈簧起到緩沖平衡、自動(dòng)控制、儲(chǔ)存能量、安全保險(xiǎn)等作用[4-5]。彈簧是承受交變載荷的零件，此類零件的失效模式通常為疲勞斷裂，而疲勞斷裂對(duì)零件的表面狀態(tài)（如應(yīng)力集中、脫碳等）尤為敏感[6]。彈簧的疲勞損傷等失效形式，在各種機(jī)械及儀表的使用過程中經(jīng)常發(fā)生，有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重事故，甚至危及到人們的生命安全[7]。螺旋彈簧冷彎成型時(shí)，在卷簧過程中由于工藝裝備不良或調(diào)整操作不當(dāng)，會(huì)使彈簧表面產(chǎn)生缺陷，如自動(dòng)卷簧機(jī)切斷彈簧時(shí)，刀具有可能插傷鄰近彈簧盤條的內(nèi)表面；噴丸處理不當(dāng)也會(huì)對(duì)彈簧鋼表面造成損傷[8]。彈簧鋼在各種載荷作用下容易發(fā)生損傷；因此，提高彈簧鋼的性能、了解彈簧鋼的失效原因就顯得尤為重要[9]。

55CrSi 彈簧安裝在柴油機(jī)泵下體內(nèi)部，服役約400 h 后，24 件彈簧中有3 件發(fā)生斷裂。彈簧預(yù)計(jì)使用壽命為2000～3000 h。彈簧安裝在泵下體內(nèi)部（柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)彈簧不會(huì)和周圍碰撞），泵下體安裝在柴油機(jī)上時(shí)彈簧處于壓縮狀態(tài)，此時(shí)彈簧的長度約為69 mm（彈簧自由長度為84.5 mm），柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)彈簧長度為47～69 mm 內(nèi)變化，壓縮量大約為22 mm（圖1）。本研究通過分析斷裂彈簧的裂紋形態(tài)、斷口形貌以及金相組織，確定彈簧的失效機(jī)制，并對(duì)失效原因進(jìn)行分析。

圖1 彈簧安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of spring installation

1 試驗(yàn)研究

1.1 表面形貌觀察

1#彈簧斷裂發(fā)生在第5 圈處，2#彈簧斷裂發(fā)生在2.75 圈處，3#彈簧斷裂發(fā)生在2.2、4.5 圈處（圖2）。在3 個(gè)斷裂彈簧表面都發(fā)現(xiàn)了不同長度的凹痕，以2#彈簧為例，其下表面存在斷斷續(xù)續(xù)的凹痕（圖3a），通過掃描電子顯微鏡觀察測量可知，凹痕總長為18 mm，最大寬度為0.65 mm，最大深度為0.22 mm。凹痕表面處有明顯的針狀磷化顆粒（圖3b），應(yīng)在彈簧表面處理即磷化前的簧絲制備、彈簧卷制過程中形成的。并且在彈簧裂紋源處有一凸起伸出物，與斷裂一側(cè)的凹陷相合（圖3c）。凹槽內(nèi)部光滑，無磷化膜存在，斷面上沒有外力拉延的金屬斷口及疲勞斷口特征，表明該部位屬于折疊缺陷，屬于彈簧原材料的缺陷。

圖2 彈簧斷裂位置Fig.2 Fracture position of springs

圖3 斷裂彈簧表面形貌Fig.3 Surface morphology of broken spring

1.2 斷口形貌

彈簧斷口均展示了相似的宏觀特征，以2#彈簧斷口為例進(jìn)行分析。2#斷口宏觀形貌如圖4a 所示，可以看出，彈簧斷口表面出現(xiàn)了明顯的由表向里的放射狀條紋擴(kuò)展痕跡，斷口表面的放射狀條紋收斂于表面凹陷處（箭頭所指處），擴(kuò)展區(qū)表面與彈簧線軸心呈45°，當(dāng)擴(kuò)展區(qū)表面擴(kuò)展到彈簧線軸心時(shí)，沿彈簧絲徑中心表面擴(kuò)展，形成最后撕裂區(qū)，瞬斷區(qū)呈粗糙的撕裂棱形貌。彈簧斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂微觀特征-疲勞條帶，疲勞擴(kuò)展方向由彈簧表面指向心部位置（圖4b）。進(jìn)一步觀察失效彈簧的裂紋源位置、裂紋擴(kuò)展方向，該斷口具有疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)，說明彈簧的早期失效屬于疲勞斷裂。

圖4 斷口形貌Fig.4 morphology of fracture

1.3 化學(xué)成分分析

原材料的化學(xué)成分是保證彈簧力學(xué)性能的基礎(chǔ)，也是制定熱處理工藝的依據(jù)；因此，檢測材料的化學(xué)成分是材料加工應(yīng)用的重要組成部分。由直讀光譜儀檢測可知，該彈簧化學(xué)成分符合55CrSi 彈簧鋼的要求。

1.4 力學(xué)性能測試

對(duì)斷裂彈簧附近靠近斷口處的試樣進(jìn)行硬度測試，可知硬度符合技術(shù)要求。根據(jù)GB/T 1172—1999 對(duì)斷裂彈簧的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行換算，結(jié)果表明，斷裂彈簧的抗拉強(qiáng)度滿足GB/T 1222—2007 的要求（表1）。

表1 斷裂彈簧的硬度及抗拉強(qiáng)度Table 1 Hardness and tensile strength of broken springs

1.5 金相檢測

1）在斷裂彈簧斷口附近取縱向試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，采用苦味酸腐蝕劑浸蝕后輕拋，在光學(xué)顯微鏡下觀察，可見明顯的方向性拉拔痕跡，夾雜物或氣孔沿流線方向分布（圖5a）。在斷口處取橫向試樣進(jìn)行觀察，表面無明顯脫碳現(xiàn)象[5]，斷口處及遠(yuǎn)離斷口的心部處顯微組織為回火屈氏體，無自由鐵素體，在橫截面上存在氣孔和微小夾雜，腐蝕后呈黑色斑點(diǎn)狀（圖5b）。斷裂彈簧的顯微組織合格。

圖5 金相組織形貌Fig.5 Microstructure morphology

2）在彈簧裂紋源附近用線切割切取試樣，然后磨制成金相試樣，并對(duì)其夾雜物水平進(jìn)行分析。按GB/T 10561—2005 進(jìn)行夾雜物評(píng)定，夾雜物為D 類（環(huán)狀氧化物類）-細(xì)系，標(biāo)準(zhǔn)中D 類-細(xì)系的環(huán)狀氧化物類尺寸為3～8 μm，而斷裂彈簧的夾雜物大部分小于3 μm。夾雜物等級(jí)符合技術(shù)要求。將制備的金相試樣用過飽和苦味酸進(jìn)行浸蝕。根據(jù)GB/T 6394—2002 規(guī)定，用截面法測定了平均晶粒度，晶粒度等級(jí)為9 級(jí)，滿足使用要求。

3）彈簧鋼的熔煉方式為連鑄連軋。圖6 為斷口橫截面示意圖，對(duì)斷裂彈簧切取橫截面試樣，采用苦味酸浸蝕后輕輕拋光，采用光學(xué)顯微鏡觀察，在絲徑的橫截面上，仍然保留鑄造結(jié)晶的形態(tài)，邊緣組織細(xì)小，在絲徑的心部為等軸晶及低熔點(diǎn)偏析區(qū)（圖7）。低熔點(diǎn)偏析區(qū)在心部呈線狀分布，長度約4 mm。在裂紋擴(kuò)展至彈簧心部時(shí)，易產(chǎn)生軸向裂紋，對(duì)彈簧的疲勞裂紋擴(kuò)展有較大影響。

圖6 斷口橫截面Fig.6 Cross section of fracture

圖7 連鑄組織形貌Fig.7 Microstructure of continuous casting

1.6 表面噴丸檢測

對(duì)斷裂彈簧切樣，在光學(xué)顯微鏡下觀測采用稀鹽酸清除了表面磷化膜的彈簧，可見噴丸質(zhì)量較差，表面噴丸不均勻，許多位置存在粗糙表面，簧絲表面僅僅部分為噴丸凹坑所覆蓋，凹痕處沒有噴丸（圖8）。按照N90/010（Purchase specification，Man B&W Diesel Ltd.）要求，噴丸應(yīng)覆蓋簧絲整個(gè)表面。

圖8 噴丸表面形貌Fig.8 Shot peening surface morphology

2 分析與討論

2.1 表面缺陷對(duì)應(yīng)力的影響

凹痕（應(yīng)力集中）對(duì)疲勞壽命有很大影響，可用有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ來表示[10]：

式中：τ-1為光滑試件扭轉(zhuǎn)時(shí)(無應(yīng)力集中)的對(duì)稱疲勞極限，τ-1K為有應(yīng)力集中試件在相同情況下的對(duì)稱疲勞極限。Kτ=1 時(shí)無應(yīng)力集中，當(dāng)Kτ大于1 時(shí)有應(yīng)力集中。

已知Kτ和ατ（理論應(yīng)力集中系數(shù)）的關(guān)系，可以用來計(jì)算Kτ。為了用ατ計(jì)算Kτ，引入材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感系數(shù)qτ，其公式為[10]：

此外，絕對(duì)尺寸、材料表面加工系數(shù)、材料表面強(qiáng)化系數(shù)等因素也影響彈簧的疲勞壽命。

各因素的綜合影響系數(shù)Kτd為[10]：

式中：ετ為絕對(duì)尺寸系數(shù)，βτ為表面加工系數(shù)，βq為表面強(qiáng)化系數(shù)。

無劃痕彈簧的應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=1，有劃痕彈簧的應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=1.42[11]。

彈簧疲勞壽命的估算表明，在規(guī)定的試驗(yàn)載荷下，有凹痕在彈簧最高應(yīng)力位置從而造成應(yīng)力集中，增加12.7%的等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，疲勞壽命降低74%，不能滿足使用要求。斷裂彈簧表面存在多處凹痕，且該彈簧屬于螺旋壓縮彈簧，根據(jù)螺旋彈簧受載時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變特點(diǎn)，最大應(yīng)力產(chǎn)生在彈簧絲截面內(nèi)側(cè)點(diǎn)，即斷口的源區(qū)位置點(diǎn)[12]。

2.2 材質(zhì)影響分析

綜合上述分析可知，彈簧的斷裂性質(zhì)屬于疲勞斷裂。彈簧鋼材料塑性較低，外表面為受力最大位置，疲勞性能對(duì)表面缺陷敏感[13]，彈簧工作在交變載荷和高頻振動(dòng)的環(huán)境中，要求具有高強(qiáng)度、高抗疲勞性能、高韌性、良好的抗應(yīng)力松弛性能、高屈強(qiáng)比和良好的表面質(zhì)量等。從受力分析可知，當(dāng)彈簧工作時(shí)，其表面承受的應(yīng)力最大，大部分損傷也是從彈簧材料的表面開始的，但該3 個(gè)斷裂彈簧表面噴丸質(zhì)量都很差，不足以提高彈簧表面壓應(yīng)力，延長彈簧壽命；YB/T 5105—1993、ASTM A401/A401M—1998 要求，鋼絲表面不得有肉眼可見的裂紋、折疊，對(duì)于絲徑大于6.0 mm，缺陷的深度小于鋼絲直徑的7%（約0.049 7 mm），最大深度不得超過0.06 mm。斷裂彈簧表面存在凹痕，這些凹痕是在彈簧絲制備、拉拔、卷制過程中形成的。凹痕的尺寸較大，最大深度為0.22 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的尺寸，造成較大的應(yīng)力集中，在彈簧反復(fù)運(yùn)動(dòng)下成為裂紋源，在應(yīng)力作用下萌生裂紋，不斷擴(kuò)展，并且彈簧材料為連鑄工藝制造，存在明顯的偏析，同時(shí)具有明顯的纖維結(jié)構(gòu)，疲勞裂紋擴(kuò)展到簧絲軸心時(shí)，裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)到沿簧絲軸心面，纖維結(jié)構(gòu)的方向性導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率迅速增加，致使彈簧發(fā)生斷裂，最后導(dǎo)致彈簧的早期疲勞失效。

3 結(jié)論

1）彈簧的失效模式為疲勞斷裂，裂紋起源于彈簧絲表面的凹坑及折疊缺陷，缺陷是在彈簧絲制備及加工制造過程中形成的。缺陷深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸，并且彈簧表面噴丸不均勻，造成較大的應(yīng)力集中，在彈簧反復(fù)運(yùn)動(dòng)下成為裂紋源，在應(yīng)力作用下裂紋不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致彈簧的早期疲勞失效。

2）彈簧化學(xué)成分、顯微組織、晶粒度均符合要求。

3）彈簧絲為連鑄工藝制備，存在明顯的偏析及纖維結(jié)構(gòu)，疲勞裂紋擴(kuò)展至彈簧絲軸心時(shí)，裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)到沿彈簧絲軸心面，纖維結(jié)構(gòu)的方向性導(dǎo)致裂紋速率迅速增加，導(dǎo)致形成疲勞斷裂斷口。