不銹鋼扭簧斷裂失效分析

李燕，賴云亭，王昭，高振華，高潘

蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

斷裂扭簧為逆止閥閥軸處用于助關(guān)的彈簧，如圖1a所示，其作用是在閥門關(guān)閉過程中輔助加快關(guān)閉速度，該彈簧型式為直臂扭轉(zhuǎn)彈簧，直臂長度分別為13mm、50mm，長端直臂匹配閥桿聯(lián)動，為匹配閥桿形狀設(shè)置一彎角，約150°，扭簧長支臂作用于閥桿上，在閥門開啟、關(guān)閉過程中，通過該支臂傳遞力矩，實(shí)物圖如圖1b所示，斷裂位置位于閥板開合過程中扭簧的受力位置。

圖1 斷裂彈簧所在逆止閥

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 宏觀檢驗(yàn)

圖2所示為斷裂扭簧斷口清洗前后宏觀形貌，斷口附近存在輕微塑性變形，表面大致分為兩個區(qū)域：一是平坦區(qū)，表面呈亮灰色，可見放射棱線；二是斷口表面粗糙區(qū)，與平坦區(qū)不在同一平面，與扭簧橫截面約呈60°，磨損嚴(yán)重。整個斷口表面存在大量淡黃色晶體附著物，利用酒精超聲清洗后，在體視顯微鏡下觀察斷口表面附著物已完全被清洗掉，說明斷口表面淡黃色附著物為彈簧斷裂后在系統(tǒng)環(huán)境中沉積所致，與斷裂本身無關(guān)。

圖2 斷裂扭簧宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

利用手持式X射線熒光光譜儀（無法測定C、Si、P、S等輕質(zhì)元素，光譜檢測結(jié)果僅供參考）對斷裂扭簧進(jìn)行光譜分析，結(jié)果見表1，其主要合金元素含量接近于國標(biāo)中的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化馬氏體不銹鋼。

表1 斷裂扭簧光譜檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 金相檢驗(yàn)

斷裂扭簧取橫截面金相試樣在金相顯微鏡下觀察，如圖3所示。其微觀組織為馬氏體+少量析出相，且在拋光態(tài)下邊緣位置存在表面缺陷，最大缺陷深度約為46μm。

圖3 斷裂扭簧橫截面金相照片

拋光態(tài)金相樣品在掃描電鏡下觀察，如圖4所示，表面均存在折疊缺陷，且表面處理層仍然完整連續(xù)，說明表面損傷是原始制造過程中產(chǎn)生的。

圖4 扭簧金相樣品拋光態(tài)SEM照片

2.4 斷口微觀分析

在掃描電鏡下觀察扭簧斷口，如圖5所示，表面平坦區(qū)可見明顯放射棱線，1區(qū)為啟裂位置；2、3區(qū)均呈沿晶開裂形貌，晶粒輪廓鮮明，晶界面上存在雞爪紋，屬于氫脆的典型特征。心部有一條斷續(xù)而曲折的鋸齒狀顯微裂紋；4區(qū)、5區(qū)主要特征為剪切韌窩，由于部分區(qū)域磨損嚴(yán)重，結(jié)合宏觀斷口附近的塑性變形特征，判斷斷口表面粗糙區(qū)的主要斷裂模式為過載斷裂。

圖5 彈簧側(cè)斷口SEM照片

將扭簧斷口樣品側(cè)面置于電鏡下觀察，斷口啟裂區(qū)可見明顯碰磨變形，如圖6所示。此處應(yīng)為扭簧在服役過程中反復(fù)持續(xù)受力所致。與金相樣品觀察到扭簧表面缺陷一致，在電鏡下觀察到扭簧表面存在大量龜網(wǎng)紋狀表面缺陷。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，沉淀硬化型不銹鋼彈簧的主要生產(chǎn)過程為不銹鋼絲（固溶后酸洗）→冷纏成簧→去毛刺→端部加工→時效強(qiáng)化→表面處理→檢驗(yàn)入庫[1]。結(jié)合扭簧表面形貌觀察推測，其表面缺陷應(yīng)該在表面噴丸之前已經(jīng)存在，為制造加工過程中所產(chǎn)生，并且扭簧的啟裂位置正是表面缺陷與受力重合的位置。

圖6 斷裂扭簧樣品表面缺陷SEM照片

3 分析與討論

斷裂扭簧的化學(xué)成分、顯微組織及硬度等方面均未見異常，但表面狀態(tài)檢測結(jié)果顯示存在大量龜紋狀表面缺陷，結(jié)合金相及掃描電鏡分析應(yīng)為扭簧實(shí)際加工制造過程中產(chǎn)生的缺陷。在工程應(yīng)用中，扭簧對表面缺陷非常敏感，表面缺陷的存在將大大降低其使用壽命[2，3]，根據(jù)現(xiàn)場反饋及斷口附近SEM觀察，斷裂位置與扭簧表面最大受力區(qū)域重合，啟裂區(qū)存在碰磨變形以及表面缺陷。

通過對扭簧斷口分析認(rèn)為，扭簧斷裂主要經(jīng)歷了兩個階段：第一階段為氫脆開裂，啟裂位置正是表面缺陷與受力重合的位置；第二階段為過載斷裂，當(dāng)裂紋發(fā)展至斷面1/2位置后，閥門在定期切換過程中出現(xiàn)沖擊載荷，導(dǎo)致扭簧在有效承載面積減小的情況下出現(xiàn)過載斷裂。一定程度上來講表面缺陷促進(jìn)和加速了扭簧的開裂，由于扭簧安裝后一個大修周期內(nèi)即發(fā)生斷裂，并且現(xiàn)場調(diào)查設(shè)備所在環(huán)境溫度不高，外來引入氫的可能性不高，因此氫的主要來源可能是扭簧加工過程中酸洗等流程引入[3，4]。

4 結(jié)論與建議

本次扭簧斷裂的主要原因?yàn)槠湓谥圃爝^程中存在表面缺陷及除氫不盡所導(dǎo)致。對于新采購扭簧，應(yīng)確保其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足采購標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是對表面缺陷的檢查方面，并建議在酸洗、表面處理工藝后應(yīng)立刻進(jìn)行除氫處理，同時建議增加閥門扭簧的檢查更換周期。