某型號彈簧的失效分析

洪志興

（中車貴陽車輛有限公司，貴州 貴陽 550017）

某公司生產的HXD1 一系彈簧機車彈簧在使用過程中出現斷裂，該彈簧已經安裝使用3 年多，設計壽命為7 年左右。彈簧組兩端設有彈簧座。彈簧除承受其緩沖作用的主要負荷外，還承受其撓度負荷。該彈簧材質為51CrV4，制造過程為：采購符合直徑要求的彈簧鋼，將每端的端頭加熱到900～980 ℃（加熱長度：700 mm）后進行軋制，冷卻到室溫后，再整體加熱到900～1000 ℃后纏繞成彈簧形狀，再次在設定溫度為920 ℃的爐內保溫30 min，出爐后進行油淬火，入油溫度830～870 ℃，油溫20～80 ℃，20 min 后出油，出油5 min 后在450 ℃的爐內保溫120 min，然后出爐空冷。彈簧在使用過程中發生斷裂，斷裂位置在端頭數起的0.6 圈左右。

1 原因分析

在對彈簧進行斷口分析后總結了可能造成彈簧失效的原因，具體分析如下：

1.1 荷載問題

對于彈簧應用過程而言，元件的荷載參數非常關鍵，其中，工作載荷及疲勞試驗載荷下應力分布、受力情況等都具有重要的研究意義。檢測人員借助計算分別測量出彈簧的工作載荷為55780 N、彈簧疲勞試驗最大載荷為69725 N、彈簧疲勞試驗最大載荷為41835 N［1］。并且利用彈簧可靠度計算等方式得出，從工作載荷、疲勞試驗最大、最小載荷所受的應力分析來看，HXD1型一系彈簧受垂向力作用，主要是機車自身的重力和運行時垂向振動引起的附加載荷交替作用。加之彈簧本身的受力方向呈現出倒三角形，因此，兩端的受力要遠遠高于中間位置，彈簧的端圈斷裂可能性較高。

1.2 無線疲勞壽命強度曲線因素

技術人員從無線疲勞壽命強度曲線進行彈簧失效問題進行分析，在關鍵的節點位置，HXD1 一系彈簧做疲勞試驗時，最大、最小的工作應力分別為591.9 N/mm2、355.5 N/mm2，相應參數都在規定的數據范圍內，因此，無線疲勞壽命強度滿足質量要求，并不是彈簧出現失效的原因。

1.3 斷彈簧取樣分析

為了進一步提升對相應問題的研究效果，對斷裂彈簧進行取樣分析，主要對彈簧斷口進行化學成分分析、金相檢測、硬度測試、拉伸測試、沖擊測試、非金屬夾雜物評定、宏觀檢測與SEM 分析進行全面分析。

（1）彈簧化學成分分析、金相檢測、拉伸測試、沖擊測試、非金屬夾雜物評定符合相關標準及技術要求，彈簧斷口硬度偏高，

（2）斷口宏觀檢測與SEM 分析：彈簧與底座接觸的位置可見明顯磨損痕跡。將彈簧斷口置于電鏡下進行微觀形貌觀察，此處為彈簧支撐圈與彈簧底座接觸的位置，裂紋從此處萌生并擴展。從斷裂源處放大2000X后的照片中可以看出斷裂源處的斷口已被腐蝕，無法觀察到明顯形貌特征，將擴展區不同位置的斷口形貌放大1000X 后的圖片中可以觀察到明顯的沿晶形貌，擴展區為沿晶斷裂。從彈簧斷口最后斷裂開的2 個不同位置可以觀察到解理斷口形貌。由SEM 微觀照片可以知道，彈簧斷口整體呈脆性斷裂，且為沿晶和解理的混合形貌［2］。

1.4 生產過程

在通過對彈簧的整個生產制造過程的核查時，發現彈簧的各項出廠檢測記錄均合格，磨簧工序存在部分員工產量遠遠超過其他員工的情況，結合彈簧斷口硬度檢測結果偏高的情況，判斷彈簧斷裂的可能是為：采用鐘擺式磨簧機磨削彈簧端面，進給方式為人工手動進給，在彈簧磨削過程中，部分操作者為提高產量故意提高彈簧的磨削進給量，導致彈簧端面局部淬火，產生隱針馬氏體，形成白亮層。導致彈簧端面局部脆性增加，容易引發斷裂。

1.5 實際彈簧實際運營情況分析

彈簧的主要作用：首先是當機車車輛運行經線路不平處或因輪對缺陷而發生振動和沖擊時，可以緩和沖擊，衰減振動。其次是使同一轉向架各輪對之間重量分配適當，是各輪對的載荷在各種線路條件下，不致相差過大。彈簧安裝在轉向架上、下底座之間，其中彈簧和底座之間墊有橡膠墊，在安裝時彈簧支撐圈與橡膠墊為緊密貼合，在機車運行過程中由于振動、急停等現象可能會導致彈簧支撐圈與橡膠墊不能緊密貼合，使得彈簧與橡膠墊之間存在一定的間隙。經調查發現斷裂彈簧的支撐圈與橡膠墊只有三個點接觸，從而使彈簧的0.6 圈位置產生局部的缺陷，在運行過程中該位置應力集中成為裂紋源，在交變應力的作用下產生裂紋并逐步擴展，進一步加劇了該區域的應力集中，接觸應力使工作圈局部點在一定深度產生拉應力區，誘發的內部小裂紋與表面擠壓損傷裂紋共同形成復合裂紋源。彈簧在實際使用中受力復雜使用條件惡劣，會承受較高的交變載荷和沖擊載荷，由于機車通過彎道和啟、停過程中還受到橫向，這些力都具有很強的突發性，從而使得極少數形成復合裂紋源的彈簧發生疲勞斷裂。

2 結 語

通過理論計算、斷口分析及取樣進行金相、脫碳、硬度、晶粒度、夾雜物、SEM、現場生產工藝分析及力學性能分析以及實際運行情況分析，造成彈簧斷裂的主要原因有以下幾方面：

（1）對斷口進行取樣分析，彈簧金相組織、脫碳、晶粒度、夾雜物符合相關標準及技術要求。彈簧硬度偏高，彈簧在機車運行過程中可能會導致早期斷裂，在使用過程中彈簧的支撐圈端部與橡膠墊點接觸，在機車運行過程中不斷到擠壓、碰撞，致使彈簧的0.6 圈位置產生局部的缺陷，在較大載荷作用下，支撐圈端部表面形成擠壓凹坑變形，使得該區域應力集中成為疲勞源，再加上彈簧硬度偏高，支撐圈局部存在隱針狀馬氏體，材料組織較脆，致使在工作過程中疲勞源前沿的滑移線擴展成為裂紋，在交變載荷的持續作用下，裂紋擴展致使彈簧發生斷裂，斷口整體為脆性沿晶和解理的混合斷口。

（2）針對整個生產制造過程進行排查，彈簧在端面磨平工序中可能由于磨削進給量偏大，導致個別彈簧端圈局部淬火，產生隱針馬氏體，形成白亮層。進而使彈簧端面局部脆性增加，機車運行過程中可能會導致早期斷裂。

（3）彈簧在實際運營情況中，受運用條件、環境溫度、橡膠磨耗、實際運營等各種因素的影響，都會導致彈簧不正常受力，長期作用下發生疲勞斷裂。