表面强化对机械零件疲劳性能的影响

1、表面强化对机械零件疲劳性能的影响杨秋 徐海鹏 王喜晨 王智骏（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院 阜新123000）摘 要：通过大量失效案例的汇总，分析了引起弹簧失效的几种重要因素并举例说明，有针对性的提出相应的预防措施，以提高弹簧的使用寿命。关键词：弹簧钢; 疲劳试样; 失效; 分析; 解决0前言弹簧是一般机械不可缺少的零件，它在工作过程中起到缓冲平衡、储存能量、自动控制、回位定位、安全 保险等作用。弹簧在使用过程中常因各种原因导致失效而引起机械故障。为此，有必要讨论引起弹簧失效的原因及预防措施。导致弹簧失效的主要因素有材料缺陷，加工制造缺陷，热处理不当，表面处理不当，工作环境因素等。通 过

2、对近几年2个弹簧失效案例的汇总分析，弹簧表面缺陷，包括碰撞磕痕、微动磨损、凹坑等造成弹簧失效的 比例最大，占 50%；另外还有裂纹占有 20%；夹杂、疏松 13%；脱碳、热处理、表面强化分别占 3%左右。弹 簧失效可由一种原因引起，也可由几种原因因素综合作用所致。因此，对弹簧的失效分析必须先对实例的失效 现象进行种种调查分析，弄清楚其失效模式，然后找出其失效的原因因素，从而提出改进措施。1弹簧的服役条件和应力状态 弹簧服役件是指它工作的环境（温度和介质）及应力状态等因素。工作温度可分为低温（室温以下)、室温、较高温度(120350度)、高温(400度以上)几个挡次。工作环境介质有空气（干燥气和

3、潮湿气)、水蒸气、雨水、燃烧产物、油及酸碱水溶液等。普通机械弹簧一般是在室温或较高工作温度、大气条件下承受负荷。也有用于耐蚀承受高应力等告种特殊用途的弹簧。应当指出，工作持续时间也是一个值得考虑的重要因素。  弹簧载荷有动载荷（振动、扭转、弯曲等）和静载荷，有些重要弹簧承受复杂的交变载荷。应力状态是设计弹簧，选材及热处理的一个极其重要的参数。在外力作用下，弹簧材料内部往往产生不同应力：如弯曲应力、扭转应力（切应力）或弯扭复合应力等。2弹簧的失效2.1 弹簧原材料引起的弹簧失效（1）由于钢的冶炼方法不同,会使钢中存在不同程度造成弹簧早期疲劳失效的夹杂物,夹杂物过量或尺寸过大,均匀度不好

4、都会影响材料的力学性能,容易早期疲劳失效。 （2）轧制过程可能引起的缺陷：残余缩管及中心裂纹；折叠缺陷（如图1）；线状缺陷、划痕；表面锈蚀坑；过烧、桔皮状表面、麻坑；这些都可能导致弹簧失效。所以钢厂应尽量避免和消除轧制过程中产生的缺陷,弹簧厂应加强对弹簧原材料质量检查,尽量采用表面质量好的材料。2.2 制造过程中引起的弹簧失效 冷成形螺旋弹簧在卷簧时由于卷簧过程中工艺装备不良或调整操作不当会产生弹簧的表面缺陷。如自动卷簧机上切断弹簧时切刀就有可能插伤邻近弹簧圈钢丝的内表面。热成形弹簧由于热成形加热温度过高弹簧表面产 生桔皮状缺陷，使弹簧疲劳寿命大幅度降低。或者，热成形时，由于加热温度过低，钢的

5、塑性不够，热成形过 程中弹簧表面应力超过材料强度极限会产生裂纹。所以在制造过程中也要加强对弹簧表面质量检查，尽量避 免表面缺陷的产生。2.3 热处理工艺缺陷造成的弹簧失效 弹簧在加热或冷却期间表面和中心温度分布不均匀会引起热应力，相变的过程会造成组织应力,其总值超过 材料的强度极限时会导致开裂。这种缺陷多见于尺寸较大的在水中淬火的弹簧,其裂纹产生后无法修复只能报 废。另外原材料的缺陷，如钢中的残余缩孔、白点、冷加工刀痕、冷拉和热轧过程中的划痕、折叠等缺陷，都 会造成淬火时的应力集中而开裂。如图 4 所示即为某公司弹簧由于最初的表面上的短浅折叠裂纹，在淬火热处 理时，该裂纹沿径向扩展至 3.9m

6、m，在做疲劳试验时，它首先扩展，直至达到临界尺寸而引起弹簧的瞬时破断。 热处理不当产生的非正常组织如粗大的淬火马氏体；先共析铁素体或游离铁素体；碳化物偏析；弹簧的热处理 变形；表面氧化与脱碳都会造成弹簧失效。2.4 表面处理工艺不当造成的弹簧失效 （1）表面喷丸强化工艺，喷丸强化设备、工艺方法及操作水平对喷丸强化有很大的影响，如果制造者不 把喷丸工艺当作一个重要的强化工艺，充分注意喷丸工艺的控制，也不进行工艺效果的必要检测，那么喷丸处 理有可能得不到它应有的强化效果，甚至可能成为弹簧发生早期失效的诱因。2.5 工作条件对弹簧失效的影响（1）负载状况对弹簧失效的影响 通用机械中受冲击作用的弹簧很

7、多，如喷油泵之柱塞弹簧。这种弹簧常在第二、三圈处折断，因为第二、三圈首先受到冲击载荷且不能足够快地传给其它各圈，头几圈承受了大部分冲击，且比其各圈变形大得多。 设计者应考虑到动力效应，尽可能避免一端的交变运动与弹簧的自然频率之一发生共振。但有时共振现象无法避免，应力幅度会增加 5%以上，则要采取相应措施，例如采用较高的自然频率，使其不与低次谐波共振。 设计合理的凸轮外形 ,以降低工作阶段的节距。减少弹簧端部的节距 ,以改变冲击时的自然频率；对弹簧中部增 用摩擦强迫阻尼。严格说来，弹簧工作时，载荷不可能作用在几何中心线上，会形成偏心载荷，总偏一个距离 e，这种负载 偏心要产生附加的应力，而使弹簧

8、安全应力显著减小，导致弹簧过早失效。另外弹簧运行之初承受过载荷也非 常危险，初期过载损伤的累积将降低弹簧疲劳极限而导致早期疲劳断裂。（2）环境因素对弹簧失效的影响 在腐蚀环境中承受交变载荷将发生腐蚀疲劳，由于腐蚀环境能加速疲劳的萌生和扩展，因而会显著降低弹簧的疲劳寿命。例如弹簧钢试样在淡水腐蚀下的持久极限仅是大气中的 10%25%。 实例：对某电厂汽轮机主汽门操纵座弹簧的断裂失效进行了分析。结果表明：弹簧材料化学成分及组织都符合国家标准，导致其早期疲劳断裂的主要原因是弹簧表面的腐蚀坑（如图 1，图2）；腐蚀坑是在弹簧使用前 的放置过程中形成的，改善弹簧放置环境和缩短放置时间可以避免腐蚀坑的产生

9、。 图 1 断裂弹簧断口宏观形貌图 图2 断裂源处腐蚀产物 （3）微动磨损及碰撞磕痕、凹坑 在弹簧类零件中，如螺旋压缩弹簧的两个端圈，拉伸弹簧的弯钩，扭杆的固定端，板簧的片与片之间都可能产生微动磨损。某公司的离合器减振弹簧在疲劳试验中断裂，经分析弹簧多处受到外力碰撞 摩擦，造成弹簧过渡圈的接触带位置发生偏移，使得微振磨损不只发生在一个平面上，造成不同微振磨损平面 的交迭，导致平面相交处的应力集中，导致断裂。弹簧因为表面磕痕、凹坑等引起弹簧失效的情况很多，在失效件中占很大比例。如某公司离合器从动盘弹 簧由于弹簧表面存在的严重磕伤而导致它过早疲劳断裂。这种表面缺陷可能发生在弹簧制造过 程中，也可能

10、在使用过程中磕碰产生，制造过程前面已述，而在使用过程，使用者要检查使用环境，避免弹簧 受碰撞等。 （4）工作温度的影响 因不同的材料有不同的耐热性能，温度升高时，金属会受热膨胀，尺寸的相应变化会改变弹簧的各种性能。不仅如此，弹簧的弹性模量 E 和切变模量 G 下降，因此，即使在载荷不变的条件下，弹簧的变形量将增大。而 且，在应力、温度和时间的共同作用下，变形和松弛将是弹簧失效的一个重要模式。低温与高温条件相反，低温会使材料的弹性模量、硬度及强度增加，但其塑性和韧性下降，特别是当温度 低于该材料的冷脆转变温度时，材料的脆性将非常严重，例如，在零下 40时，在冲击载荷条件下工作的弹簧 往往会碎成几

11、段。3防止失效措施及其可行性3 1 机加工工艺的改进 采用数控车床加工疲劳试样，保证试样表面的 光洁度及试样的圆弧部分和试样中间的平行部分 相切，通过疲劳试样的表面和表面粗糙度样块对 比，疲劳试样的表面粗糙度约为 a1 6。3 2 组织状态的改进 为了避免不合理的热处理工艺影响弹簧钢的疲 劳性能，对 55CrSiA 弹簧钢的热处理工艺进行探索。表 3 55CrSiA 不同的热处理工艺序号热处理工艺 1加热到 860 ，保温 40min，油淬，加热到 450 ，保温 90min，水冷2加热到 860 ，保温 60min，油淬，加热到 450 ，保温 90min，水冷3加热到 880 ，保温 40

12、min，油淬，加热到 450 ，保温 90min，水冷4加热到 880 ，保温 60min，油淬，加热到 450 ，保温 90min，水冷 1号 2号 3号 4号对应的试样心部的金相显微组织如下。根据上述热处理试验的结果，采用第二种热处 理工艺能得到心部相对均匀的回火屈氏体组织，因 此采用第二种热处理工艺对 55CrSiA 弹簧钢进行 热处理。3.3其他处理方法 1弹簧材料必须有优良的冶金质量，如严格控制化学成分、高纯净度，较低夹杂物含量，同时还 要求材料成分和组织的均匀性和稳定性。为了降低钢中有害气体和杂质元素，提高钢的纯净度，应采用真空冶 炼及电渣重熔等精炼技术。 2除严格控制好加热温度、

13、保温时间外，控制炉内气氛是很重要的，定期分析加热煤气成分,保证 热量供应正常；为了减少变形,杜绝淬火开裂，除了尺寸过大的热成形弹簧外 ,一般热成形弹簧采用在油中冷却。 3除消除振动和改进结构设计外，采用各种表面处理如离子注入，化学热处理以及喷丸、滚压等 表面硬化工艺，提高表面的耐磨和疲劳性能，可以提高其抵抗微动磨损的能力。而降低表面的摩擦系数即通过 润滑方式包括固体、半固体、及液体也可以减缓微动损伤的进程。表 4弹簧钢疲劳试验结果试样 砝码重量 最大应力 疲劳寿命转速1375682 5139430030002400718 4101260030003425754 312015003000未断44

14、50790101140030003.4疲劳试验情况 采用逐级加载的方法进行疲劳试验，试验结果如下。因 55CrSiA 热处理后的抗拉强度约 1550MPa，根据相关资料高强度弹簧钢的疲劳强度约为抗拉强度的一半，弹簧钢 55CrSiA 在疲劳试验中，疲劳寿命超过 106 仍未断裂，试验结果有效，且弹簧钢55CrSiA 中温回火后的疲劳强度至少在 790MPa。参考文献1庄东汉材料失效分析M上海: 华东理工大学出版社，20072屠世润.弹簧失效分析技术C.全国弹簧标准化技术委员会内部资料. 3李霞.影响弹簧失效的主要因素及其预防措施J.科技资讯,2009,5:27-29.4胡小华,马林,黄飞波.扭转弹簧氢脆断裂失效分析J.金属制品,2009,35（1）:20-23. 5张耀灵.弹簧的失效分析J.机械创造.1993,3:10-13. 6董汉武,高岩,郑志军.主汽门操纵座弹簧的断裂失效分析J.机械工程材料, 2007,31（1）:35-38.7 朱友益.新结构LHJ浮选柱的分选机理及数学模型研究D.北