304不銹鋼飲水機水閥彈簧斷裂失效分析*

田萬英

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

某公司生產的304不銹鋼飲水機水閥彈簧在安裝后，僅使用了兩三個月便發生了斷裂，水閥中的彈簧決定了水閥開啟壓力、閥瓣的行程以及在關閉狀態下密封的穩定性，水閥彈簧斷裂后導致飲水機無法正常加水，出現干燒，引起火災發生。為了分析該彈簧發生早期斷裂的原因，厘清事故的責任，且便于對后續的彈簧生產工藝進行調整，以避免該類彈簧斷裂事件的再次發生，對斷裂的彈簧進行了失效原因分析。

1 材料與方法

對斷裂的彈簧進行切割取樣，采用手工化學分析的方法對斷裂的彈簧進行了化學成分分析，采用金相顯微鏡對斷裂的彈簧進行了金相顯微組織分析，采用掃描電子顯微鏡對彈簧斷口形貌進行了掃描分析，另外通過掃描電鏡附帶的EDS對斷裂的彈簧表面進行了微區化學成分分析。

2 結果與討論

2.1 宏觀形貌分析

斷裂的彈簧及彈簧在黃銅水閥中的安裝位置如圖1（a）和圖1（b）所示，從圖中可以看出，彈簧斷口整體平整，未見明顯的塑性變形痕跡，說明彈簧的斷裂類型為脆性斷裂。結合彈簧的材料為塑性很好的304不銹鋼，出現脆性斷裂的可能原因為疲勞或者應力腐蝕開裂[1]，但彈簧整體光亮，未見明顯腐蝕現象，可以排除發生應力腐蝕的可能性，因此該水閥彈簧斷裂的可能原因為疲勞斷裂。從圖1（b）中可以看出，彈簧表面有多個平臺出現，可以初步判斷彈簧的斷裂類型為多源疲勞斷裂。斷口附近宏觀照片如圖1（c）所示，斷口附近有明顯的加工缺陷，加工缺陷主要為平行的劃痕，可能產生于彈簧拉絲過程中的劃傷，劃痕遍布彈簧整個表面，這也是彈簧發生多源疲勞斷裂的原因之一。

圖1 斷裂彈簧實物圖及宏觀照片

彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件，用于吸收振動和沖擊能量，控制機械運動。斷裂破壞是彈簧的主要失效形式之一[2]，其中最常見的是疲勞斷裂。彈簧的疲勞斷裂緣于設計錯誤、材料缺陷[3]、制造不當及工作環境惡劣等。疲勞斷裂往往起源于彈簧的高應力區，如拉伸彈簧的鉤環、壓縮彈簧的內表面、壓縮彈簧的兩端面等[4-8]。材料缺陷是導致疲勞斷裂的常見原因之一，馬小明等[9]對往復式甲烷壓縮機曲軸斷裂失效分析的研究表明：曲軸主頸處存在機械加工缺陷，在機械加工缺陷處產生應力集中，在應力集中處微裂紋萌生、擴展最終發生疲勞斷裂。余世杰等[10]對H13熱作模具鋼沖頭的早期斷裂失效分析的研究表明：沖頭工作部位外壁區域存在夾雜物、氣孔、疏松等缺陷，在缺陷處產生應力集中而成為疲勞裂紋源，在工作應力作用下，橫向微裂紋萌生、快速失穩擴展，導致沖頭發生早期疲勞斷裂。宋宗賢等[11]對激光選區熔化成形的GH4169合金疲勞的研究表明：超高周疲勞區間斷裂的試樣的裂紋大多萌生于激光能量密度過高產生的圓形匙孔內殘留的碳化物處，碳化物作為一種缺陷加速了裂紋萌生，縮短了疲勞壽命。斷裂的水閥彈簧疲勞起源于內表面及外表面劃傷處，該處由于表面劃痕導致應力集中，在缺陷處微裂紋萌生，從而發生了早期疲勞斷裂。

2.2 化學成分分析

彈簧手工化學成分分析結果如表1所示，從表1中可以看出，彈簧化學成分符合標準[12]規定的304不銹鋼材料化學成分要求。

表1 化學成分測試結果（wt.%）

2.3 金相顯微組織分析

彈簧橫、縱截面金相試樣宏觀照片分別如圖2（a）、圖2（b）所示。從圖2（a）中可以看出，彈簧組織中未發現明顯的晶界存在，可能為加工變形組織，值得注意的是外表面有兩個凹坑存在，該凹坑對應于圖1（c）中的加工條紋。從圖2（b）中可以看出，彈簧的縱截面金相顯微組織主要為纖維組織。

圖2 斷裂彈簧金相顯微組織照片

2.4 SEM微觀形貌分析

彈簧SEM微觀形貌照片如圖3所示，從圖3中可以看出，彈簧的斷口為多源疲勞斷裂，斷裂源位于4個平整區的外表面，最終斷裂區為4個面的臺階交匯處。斷口表面的平整區為疲勞擴展區，根據斷口的平整區占斷口總面積的80%以上，可以確定引起疲勞斷裂的應力很小[10]，斷裂類型為低應力高周疲勞斷裂。在疲勞源附近有明顯的加工條紋存在，在疲勞擴展區的局部放大區域有疲勞輝紋存在[13-14]，疲勞輝紋的出現可以確認該彈簧的斷裂模式為疲勞斷裂。

圖3 斷口SEM微觀形貌照片

斷口表面EDS微區化學成分測試結果如圖4所示，從圖4中可以看出，斷口表面化學元素除氧元素以外均為304不銹鋼中的元素，未發現S元素和Cl元素等的腐蝕性陰離子存在，說明彈簧的斷裂主要由力學因素導致，與腐蝕無關。彈簧的斷裂過程為：外表面有劃傷，在使用過程中劃傷處應力集中，產生微裂紋向內擴展，作為疲勞源，在后續應力作用下發生疲勞擴展，最終在強度不夠的情況下發生塑性失穩斷裂。

圖4 斷口表面局部EDS微區化學成分分析圖譜

3 結論

綜合以上分析可知：該飲水機不銹鋼水閥彈簧的斷裂屬于低應力高周疲勞斷裂，裂紋源位于彈簧外表面，裂紋源附近有縱向劃傷，劃傷內表面由于應力集中有微裂紋存在，直接導致了疲勞裂紋源在內表面處的形成，并最終使彈簧發生疲勞斷裂。基于分析結果，建議加強對彈簧生產過程的管控，實現彈簧安裝規范化，以避免彈簧表面出現劃傷。