压缩弹簧断裂失效分析.doc

压缩弹簧断裂失效分析李晓明，邵奎祥，孙丽坤（天津重型装备工程研究有限公司材料检测中心，天津 300457）摘 要：一支圆柱形螺旋压缩弹簧在使用时发生断裂。应用理化检验手段对此进行取样分析，结果表明，弹簧丝纵向表面裂纹缺陷和内部较为严重的中心碳偏析缺陷是造成压缩弹簧在使用时发生早期断裂失效的主要原因。关键词：压缩弹簧；断裂失效；纵向表面裂纹；中心碳偏析缺陷中图分类号：TG142.41文献标志码：AFracture failure analysis of compression springsLI Xiao- ming, SHAO Kui-xiang, SUN Li-kun(Testing and Researching Center of Material;Tianjin Heavy Industries Research & Development Co Ltd, Tianjin 300457, China)Abstract : A cylindrical helical compression spring fractures when it is being used. By means of physical testing and chemical analysis, the got samples were analyzed in fractured compression springs. The results show that longitudinal surface cracks and serious central carbon segregation defects in the inner of the spring silk is the main cause of compression spring fractures failure early when it is being used.Key words: compression springs ; fracture failure ; longitudinal surface cracks ; central carbon segregation defects一支圆柱形螺旋压缩弹簧在某机械装置上使用时发生断裂，断裂部位在弹簧第 10 圈（总圈数为 13.5）处。该弹簧中径 208 mm、自由高度约 1000 mm，弹簧丝直径32 mm，材质为 60Si2CrVA 钢，热处理工艺为：860880淬火，400460回火。为找出弹簧断裂失效的原因，采用金属件失效分析方法和步骤1，采用理化检验等手段对断裂的弹簧进行取样分析。1 理化检验1.1 宏观断口观察弹簧断口面与轴线成 45角，断口外形略呈螺旋状，具有明显的扭矩断口特征 2。 在弹簧断裂部位取样，将断口样依次用苯和无水乙醇清洗后，对比观察发现两个断口只有部分匹配，中间有一个小断块在弹簧断裂时被崩飞，但不影响对断口的观察和断裂源的确认，其宏观断口形貌见图 1，图 中可见左边断口中放射状形态特征明显，根据放射花样的逆指方向，确认断裂源在弹簧丝表面与弹簧中径线的 相交处，断裂源为一略显凸出，并有一定反光能力的小平面，与基体有明显的分界，在右边匹配断口相同的母线位置也有一个纵向长形的小平面，也具有相同的反光能力，由此可以确定这两个小平面原本是一体的，为一小纵向表面裂纹，以其尖端为断裂源，引发弹簧在使用时发生断裂。图 1 断口宏观形貌Fig.1 Macro appearance of the fracture收稿日期：2011-07-181.2 微观断口观察在扫描电镜下观察断口，发现上述纵向裂纹面中部分区域有摩擦的痕迹，其它区域既有因受摩擦的影响 ， 其氧化层呈现较为破碎的形貌特征，见图 2；也有氧化层上有裂纹，但无破碎现象。氧化层主体较为致密，具有高温氧化生成的形貌特征。能谱分析氧化层，其氧元素峰值较高，见图 3。断口中放射状区域的微观形态呈韧窝+准解理状3。图 2 断口断裂源区域氧化层破碎的微观形貌Fig.2 Micrograph of oxidated layer breaked into pieces on the fracture origin zone1.3 低倍检验图 3氧化层元素能谱图Fig.3 Elemental energy chart of oxidated layer在断裂的压缩弹簧上取横向试片进行低倍检验 ，结果发现有较为严重的中心碳偏析缺陷和表面轻微的脱碳现象，见图 4。10mm图 4横向低倍组织形貌Fig.4 Appearance of horizontal macrostructure1.4 化学分析断裂的压缩弹簧化学分析结果 (质量分数)为：0.60% C、1.48% Si、0.56% Mn、0.010% P、0.006% S、1.01%Cr、0.12% V、0.10% Ni、0. 11% Cu，可见弹簧材质 60Si2CrVA 钢化学成分符合 GB/T1222-1984 标准要求4。1.5 金相观察 在横向低倍试片上定位切取金相样品，在光学显微镜下，正常基体显微组织为回火屈氏体 +贝氏体回火组织5，见图 5，在中心碳偏析区域除有上述显微组织以外 ，还发现有大颗粒碳化物和较为严重的碳化物偏析现象 ， 见图 6。弹簧丝部分表面层有轻微的脱碳现象，最深达 0.2 mm，小于 0.4 mm 的合格界限。对钢中非金属夹杂图 5基体显微组织图 6 中心碳偏析区碳化物偏析微观形貌Fig.6 Micrograph of carbide Segregation in central carbon segregation zoneFig.5 The microstructure of matrix 20u 20u 20um能量 E/Kev物级别进行了评定：A 类细系 1.0 级、B 类 细系1.5 级、C 类粗系 1.5 级和 D 类细系 1.5 级，虽然满足技术要求，但 B、C 和 D 类夹杂物均在合格范围的上限。1.6 硬度测量取横向试片样进行基体洛氏硬度测量，三点硬度测量值 HRC 均为 52.5，在技术要求 HRC50.054.0 的范 围内。2 分析与讨论从弹簧的宏观断口形态上看，压缩弹簧在使用时主要承受扭矩载荷，弹簧断裂时崩飞一小块，说明弹簧的脆性较大。断裂源位于弹簧表面一纵向裂纹的端部，该裂纹内的氧化形态表明其形成后经历了某种热处理过程 ， 在弹簧使用前就已经存在。化学分析表明弹簧材质的化学成分符合 GB/T1222-1984 标准要求。硬度和基体显微组织检验结果也与弹簧热处理后应得到的状态相吻合，说明其热处理工艺的执行是正常的。但在横向低倍检验时，发现弹簧内部有较 为严重的中心碳偏析缺陷。由于弹簧表面存在有纵向裂纹缺陷，容易在此形成应力集中，弹簧内部又存在有较为严重的中心碳偏析缺 陷，这种缺陷的存在，增大了弹簧的脆性，严重降低其疲劳极限和使用寿命，带有上述缺陷的压缩弹簧在使用过程中，必然要以表面裂纹缺陷处为断裂源而发生早期断裂失效。3 结论弹簧丝纵向表面裂纹缺陷和内部较为严重的中心碳偏析缺陷是造成圆柱形螺旋压缩弹簧在使用时以表面裂纹缺陷处为断裂源而发生早期断裂失效的主要原因。参考文献:1 Brooks C R,Choudhury A.工程材料的失效分析M.谢裴娟译.北京:机械工业出版社,2003:50-140.2 桂立丰，唐汝钧，等.机械工程材料测试手册-物理金相卷M.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999:806. 3 姜锡山.特殊钢金相图谱M.北京:机械工业出版社，2003:171.4 沈建军,栾燕,李国忠.GB/T1222-2007S.全国钢标准化技术委员会,2007.5 任颂赞,张静江,陈质如,等，钢铁金相图谱M