扭桿彈簧斷裂失效分析

弓雪原，董紅軍

鄭州航天電子技術(shù)有限公司 河南鄭州 450001

1 序言

扭桿彈簧是利用桿的扭轉(zhuǎn)彈性變形而起到彈簧作用的零件，在使用時，一端固定，另一端加扭轉(zhuǎn)負荷（即承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力）。扭桿彈簧結(jié)構(gòu)簡單，彈簧特性穩(wěn)定，不產(chǎn)生振顫，單位體積儲能大，彈簧體積較小，屬于小型輕量化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于汽車、火車、坦克及裝甲車等行業(yè)[1]。由于扭桿彈簧是汽車座椅的直接受力零件，一方面起減振作用，另一方面增加乘員的舒適感，所以其性能的好壞直接決定汽車座椅的安全和舒適度[2]。

某彈簧公司使用φ4.12mm的55CrSi圓鋼絲制成的汽車座椅扭桿彈簧，使用頻次不超過100次時自由端彎曲處發(fā)生了斷裂，本文對扭桿彈簧的斷裂原因進行了測試分析。

2 扭桿彈簧生產(chǎn)工藝及斷裂樣品

2.1 扭桿彈簧生產(chǎn)工藝

扭桿彈簧生產(chǎn)工藝流程：φ4.12mm圓絲冷彎→回火→預(yù)扭20°裝配到座椅骨架上→座椅整體酸洗→座椅整體電泳。

扭桿彈簧如圖1所示，A端為固定端，B端為自由端。扭桿彈簧裝配時，A端固定，B端預(yù)扭20°，工作角度為扭轉(zhuǎn)84.5°，最大行程角度為107°，工作狀態(tài)如圖2所示。

圖1 扭桿彈簧

圖2 扭桿彈簧的工作狀態(tài)

2.2 斷裂樣品

扭桿彈簧在使用過程中發(fā)生斷裂，斷裂位置在自由端冷彎處，斷裂樣品如圖3所示。

圖3 斷裂樣品

3 檢測結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分

利用紅外碳硫分析儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對斷裂試樣的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，斷裂試樣的各元素含量在生產(chǎn)控制范圍內(nèi)，雜質(zhì)元素P、S含量較低，化學(xué)成分合格。

表1 斷裂試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3.2 力學(xué)性能

利用CMT4504型拉伸試驗機對制作扭桿彈簧的φ4.12mm圓絲進行抗拉強度和斷面收縮率的檢測，抗拉強度為1952MPa，斷面收縮率為52.3%，滿足GB/T 18983－2017《淬火-回火彈簧鋼絲》規(guī)定的性能要求。

3.3 金相組織

在斷口附近取樣，將試樣用200#、400#、600#、800#砂紙打磨，并拋光后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡進行金相組織觀察。斷口附近金相組織（見圖4）為回火屈氏體，金相組織正常。

圖4 斷口附近金相組織

3.4 斷口形貌

將斷口進行超聲波清洗后，利用ZEISS EVO15掃描電子顯微鏡觀察斷口，如圖5所示。斷口的整體形貌如圖5a所示，A處為裂紋源，裂紋起源于鋼絲表面，斷裂沿著D處箭頭所示的方向擴展，并最終斷裂，從圖5a中也可以看出彈簧鋼絲受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。A處裂紋源的形貌進一步放大后如圖5b所示，裂紋源處的斷裂形式為沿晶斷裂，晶粒輪廓鮮明，晶界上布滿了細小條狀的撕裂棱線，可見雞爪紋和二次裂紋，其斷口表現(xiàn)出明顯的氫脆斷裂特征。沿著斷裂擴展方向，B處的斷裂形貌如圖5c所示，大部分的斷裂形式為沿晶斷裂，局部有韌窩存在。C處為斷裂的最后部位，其形貌如圖5d所示，C處的斷口形貌中有大量韌窩的存在，最后斷裂部位是韌性斷裂。

圖5 斷口掃描電鏡照片

3.5 鋼絲表面質(zhì)量

使用丙酮浸泡彈簧兩天，去除表面的電泳漆，發(fā)現(xiàn)彈簧表面有劃傷，如圖6所示。此劃傷位于裂紋源處，利用金相顯微鏡測量劃傷深度，劃傷深度約為0.01mm。

圖6 表面缺陷

4 分析與討論

抗拉強度＜1000MPa的碳素鋼和低合金鋼很少發(fā)生氫脆斷裂，而扭桿彈簧所用55CrSi彈簧鋼絲的抗拉強度為1953MPa，屬于高強度鋼，其氫脆敏感性很高。高強度鋼在接觸酸、鹽的稀溶液時，則極易發(fā)生氫脆斷裂，且其斷裂敏感性隨著鋼的抗拉強度的提高而顯著提高[3]。這是由于高強度鋼組織中位錯、晶界、沉淀相等缺陷較多，為氫原子在金屬基體中擴散聚集提供了條件，所以氫脆斷裂的臨界應(yīng)力極限隨著材料強度的升高而急劇下降。

扭桿彈簧表面存在劃傷，劃傷最深處為0.01mm。扭桿彈簧在電泳前的工序為酸洗，在這一工序中，會引入氫原子，氫的來源為：Fe+2H+→Fe2++H2↑，酸洗中的H2一部分逸出，一部分吸附金屬表面滲入基體[4]。氫并不是均勻分布在金屬內(nèi)部的，它受濃度梯度和應(yīng)力梯度的影響，向低濃度、高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中或缺陷部位擴散、富集。表面缺陷會導(dǎo)致在酸洗過程中氫向缺陷處滲入，氫在缺陷處大量聚集。由于缺陷處位錯、空位等晶體缺陷增加，間隙氫原子落入位錯中心或空位中會減小局部畸變，降低體系自由能，滲入缺陷處的氫要脫離這些晶體缺陷發(fā)生擴散所需的能量增加，所以很難被去除[5]。氫原子會沿著表面缺陷滲入到金屬內(nèi)部，沿著圖5a中D處箭頭所示的方向迅速擴散，在晶界處聚集，從而弱化了晶界結(jié)合力。

氫脆斷裂的基本特點之一是延遲斷裂，延遲的時間長短與扭桿氫含量和受到的應(yīng)力大小有關(guān)。氫含量越多，應(yīng)力越大，延遲的時間也就越短[6]。扭桿彈簧自由端冷彎處表面受力情況見圖7，冷彎處表面受到拉應(yīng)力，并在劃傷處形成應(yīng)力集中。扭桿彈簧與座椅骨架整體進行酸洗，表面缺陷和應(yīng)力集中會加速氫的擴散與聚集[4]。扭桿彈簧工作時，微裂紋首先在表面劃傷處形成，最終發(fā)生延遲斷裂。

圖7 局部受力示意

5 結(jié)束語

綜上所述，可知扭桿彈簧斷裂原因如下。

1）扭桿彈簧斷裂原因為酸洗時氫沿著其表面劃傷處滲入彈簧鋼基體，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下經(jīng)過一段時間發(fā)生氫脆斷裂，斷裂形式為沿晶斷裂，斷口可見二次裂紋和雞爪紋。

2）斷裂源位于扭桿彈簧自由端外側(cè)表面缺陷處。

針對扭桿彈簧斷裂原因，采取的預(yù)防措施如下。

1）加強圓絲冷彎后的表面質(zhì)量檢驗，將存在表面缺陷的彈簧挑出，避免進入后續(xù)的工序。

2）在座椅整體酸洗后增加除氫處理工序，去除酸洗后滲入基體中的氫原子，降低氫脆斷裂的風(fēng)險。