柱塞彈簧斷裂分析

李曉超 曹蕾 陳搖 陳凌云 劉超

摘 要：柱塞彈簧在使用過程中斷裂。為分析彈簧失效的原因，對故障件進行了外觀檢查、電鏡觀察、硬度檢測和金相分析。結果表明：柱塞彈簧的失效模式為疲勞斷裂，而導致彈簧疲勞斷裂失效的主要原因是彈簧內圈表面的放電擊傷痕跡，柱塞彈簧上未發現與材質有關的缺陷。

關鍵詞：彈簧;疲勞斷裂

柱塞彈簧在使用過程中常會出現斷裂失效現象，且較高比例的斷裂是由于表面缺陷造成。柱塞彈簧材料為50CrV，針對柱塞彈簧在使用過程中斷裂的問題，分別對彈簧進行外觀檢查、電鏡觀察、硬度檢測和金相分析。

1 試驗過程與結果

1.1外觀檢查

斷裂彈簧表面呈藍黑色，斷裂發生在彈簧靠一端約1/3位置，彈簧未見明顯的塑性變形。斷面與彈簧鋼絲軸線約呈45度角;彈簧鋼絲直徑約為1.4mm，符合圖紙要求;彈簧內圈表面，斷口附近有沿彈簧鋼絲軸線方向的擦傷，圖1、2

1.2電鏡檢查

彈簧斷口見圖3

斷口呈銀灰色，有少許擦傷，斷口未見明顯的塑性變形;斷口可見疲勞特征，斷裂起始于彈簧內圈表面，對源區放大觀察，可見斷裂起源于彈簧表面的缺陷，圖4。

進一步觀察彈簧斷口，疲勞擴展區可見疲勞條帶及二次裂紋特征，見圖5;

斷口瞬斷區為韌窩加準解理特征，見圖6。

繼續觀察斷口源區的表面缺陷，見圖7，缺陷尺寸約180μm，使用X射線能譜儀分析該缺陷位置的成分，見圖8，通過譜圖可見，該缺陷位置含有鋁元素。而該彈簧的材料是50CrV，不含有鋁元素，對彈簧表面其它位置的X射線能譜分析也未見鋁元素存在。說明鋁元素和斷口源區缺陷有關系。

1.3硬度檢測

用顯微硬度計測量彈簧橫截面的顯微硬度，并換算成抗拉強度，約為1626MPa，工藝要求為1471MPa～1765 MPa，符合要求。檢查彈簧金相組織，見圖9，為回火托氏體+碳化物顆粒，是正常的淬火、回火組織，未見脫碳現象。

2 分析與討論

彈簧斷口有疲勞特征，說明該斷裂屬于疲勞性質。疲勞起源于彈簧內圈表面的缺陷處，該缺陷的能譜分析顯示有鋁元素存在，而鋁的引入很可能是在電拋光工序時，彈簧通過鋁絲夾持、通電，兩者接觸不良或接觸時發生振動，引起放電起弧現象，并導致金屬轉移帶來的。當放電發生時，會在瞬間產生高溫，致使材料熔化，除材料表面留下痕跡外，還會在熔化層下面形成熱影響層，使材料組織和性能發生變化;同時，放電帶來的表面拉應力，還會造成零件的疲勞抗力較原來低很多。

3 結論

柱塞彈簧的斷裂性質為疲勞斷裂，疲勞起源于彈簧內圈表面的放電擊傷痕跡，柱塞彈簧上未發現與材質有關的缺陷。