扭力彈簧開裂及斷裂分析

李佳囡

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西西安 710089）

飛機在打開口蓋后發現扭力彈簧斷裂。該彈簧所用材料為70E 鋼，參考標準為GB4358—1995《碳素彈簧鋼絲》E 版。彈簧的加工過程為：鋼絲—鉗工繞簧—回火（260～300 ℃，20 min）—鉗工加工端頭—回火（240～260 ℃，20 min）—鍍Cd—除氫（200 ℃、24 h）—移交、放置—裝配。為查明扭力彈簧產生斷裂原因，特對斷裂的5個彈簧進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 外觀觀察

對斷裂的彈簧外觀形貌進行觀察，斷裂彈簧的斷面比較粗糙，高差不大。對斷裂彈簧的內外圈進行檢查，斷裂彈簧內圈有較多的裂紋，裂紋沿周向大致垂直于鋼絲的軸線方向，見圖1。

圖1 彈簧內圈開裂形貌

1.2 宏觀觀察

將斷口和內圈裂紋人工打開斷口在體視放大鏡下觀察，斷裂的彈簧斷面高差不大，顏色為黑灰色，略顯淺黃色，另外斷面上還有漆污染。見圖2。

圖2 斷裂斷口形貌

彈簧內圈裂紋人工打開斷口，斷面高差很大，裂紋斷面為大致垂直于鋼絲長度方向的平面，人工打開部分大致平行于鋼絲長度方向，為斜劈斷口，裂紋斷面的顏色有的為黑灰色，有的為暗黃或黃色。見圖3。

圖3 人工裂紋打開斷口形貌

1.3 微觀觀察

（1）斷裂彈簧。斷裂彈簧的斷面磨損均比較嚴重，中間未磨損區域斷裂特征包括3種形貌，即沿鋼絲拉拔變形方向開裂的特征和解理、準解理和韌窩，見圖4。

圖4 微觀斷裂形貌

（2）人工打開裂紋斷口。裂紋斷面高差大，為斜劈斷面，其微觀形貌為沿鋼絲拉拔變形方向開裂的特征和解理（準解理）和韌窩，見圖5。

圖5 裂紋斷口形貌

1.4 氫含量測試

對鋼絲氫含量進行測試，鋼絲表面處理分別為用細砂紙打磨處理、酸洗的方法處理，砂紙打磨處理鋼絲的氫含量為1 ppm，細砂紙打磨處理后再進一步用酸洗處理鋼絲的氫含量為2 ppm。

對鋼絲表面直接用酸洗方法處理，氫含量測試結果為10 ppm，酸洗會使氫含量測試結果增大。

對開裂彈簧用稀鹽酸除去鍍Cd 層、及帶鍍Cd層開裂彈簧進行氫含量測試，測試結果見表1。去除Cd 層彈簧氫含量測試結果為6 ppm，帶Cd 層彈簧氫含量測試結果為18 ppm。對氫含量測試要求表面有一定的光潔度，如果表面較粗糙測試結果會偏高。帶Cd 層彈簧表面較粗糙，氫含量測試結果較高。用稀鹽酸處理表面過程中使光潔度提高。經驗表明，在稀鹽酸處理過程中會引入少量的氫元素，因此，去除Cd 層彈簧氫含量測試結果可能也會偏高。

綜合上述分析結果推測，鋼絲的氫含量很可能小于2 ppm，彈簧氫含量很可能小于6 ppm。但測試結果可以反映該彈簧本身的氫含量較高。

1.5 硬度檢測

在斷裂彈簧的端頭斷口附近取樣，制取金相試樣，測試維氏（HV）硬度，并換算成HRC，結果見表1。將硬度平均值換算成抗拉強度，斷裂彈簧的抗拉強度為1875 MPa，GB4358—1995《碳素彈簧鋼絲》中對該材料的抗拉強度要求為1 920～2 270 MPa，斷裂彈簧測試結果相對標準要求偏低。

表1 硬度測試結果

1.6 金相觀察

在斷裂彈簧端頭斷口附近取樣，制取金相試樣，對其金相組織進行觀察，組織為珠光體和少量鐵素體，組織未見異常，見圖6。

圖6 彈簧的金相組織

對鍍Cd 層的厚度進行測量，厚度為8～10 μm，鍍層厚度符合GB4358—1995《碳素彈簧鋼絲》標準要求。

2 分析與討論

通過對5個斷裂彈簧的斷口觀察分析可知，斷口邊緣磨損均較嚴重，中間未磨損區域斷裂特征為：沿材料變形組織開裂特征、解理（或準解理）和韌窩特征，彈簧的內圈均有較多的裂紋，裂紋沿周向大致垂直于鋼絲的軸線方向，將多個裂紋打開觀察分析，所有裂紋的開裂形貌及斷裂特征均一致。裂紋斷面在體視放大鏡下觀察有的為灰黑色，有的為淺黃色或暗黃色，該種顏色變化不是漆的顏色，而是材料本生氧化的結果，說明有的裂紋在除氫之前已經形成，經歷了除氫的溫度而氧化形成的顏色。

通過對鋼絲和彈簧不同表面處理氫含量測試結果推測，鋼絲的氫含量很可能小于2 ppm，彈簧氫含量很可能小于6 ppm。但測試結果可以反映該彈簧本身的氫含量較高。根據彈簧的加工過程、開裂及斷裂過程、裂紋及斷口的斷裂特征，并結合彈簧所用材料為高強度鋼，氫含量測試結果也較高，可以判斷彈簧裂紋的開裂性質為氫脆[1，2]。

材料的組織正常；開裂彈簧的強度偏低，但不是導致氫脆的原因；鍍Cd 層符合要求。

嚴格講，氫脆不是一種獨立的斷裂機制，氫的加入只是有助于某種斷裂機制，如解理斷裂或沿晶斷裂的作用。其斷裂方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，或是兩者的混合。導致該彈簧氫脆開裂和斷裂的力學因素有：彈簧加工過程中導致的殘余應力、氫引起的張應力以及裝配應力[3，4]。觀察分析可見，彈簧的開裂主要在內圈，從殘余應力的角度講，外圈應該更大，而內圈由于曲率較大，是氫更容易聚集的部位，氫含量的測試結果較高，因此，導致彈簧開裂的主要因素應是氫引起的張應力的作用。

斷裂彈簧，其斷裂過程有兩種可能：①在有小的氫脆開裂裂紋的基礎上疊加裝配應力導致開裂；②雖然沒有小裂紋，但在氫張應力、殘余應力和裝配應力作用下斷裂，即使這種斷裂過程，其失效模式與開裂彈簧沒有本質區別。

建議對電鍍工藝、電鍍之后到除氫的時間，以及除氫的工藝進行核查并嚴格控制；對同批次鋼絲生產的其他類型的彈簧進行含氫量的測試。建議按照GB4358—1995《碳素彈簧鋼絲》標準要求，鍍Cd 之后立即除氫。

3 結論與建議

根據以上分析，可得出扭力彈簧的開裂和斷裂性質為氫脆。在日常生產中，應對電鍍工藝嚴格控制，也可通過對不同鍍cd 溶液的分析，調整鍍cd 工藝。

建議通過對除氫工藝的改進，來避免氫滲入零件。可通過以下方面完善工藝改進：①除氫前保持鍍層表面清潔。②按照GB4358—1995《碳素彈簧鋼絲》標準要求，鍍Cd 后立即除氫。③除氫應保證時間連續，中間不可停止。④零件電鍍后盡量不要返工。⑤適當延長除氫時間。