鎖止彈簧斷裂原因分析

李明，李金紅，劉月，李輝，王唯愷

錦州捷通鐵路機(jī)械股份有限公司 遼寧錦州 121116

1 序言

某廠生產(chǎn)的新產(chǎn)品鎖止彈簧材質(zhì)為304L不銹鋼，其直徑5mm，原始長(zhǎng)度120mm，屬異形彈簧。彈簧生產(chǎn)工藝：鋼液冶煉→熱軋→退火→酸洗鈍化→冷拔→折彎→回火（200℃去應(yīng)力）。生產(chǎn)的該批次彈簧在進(jìn)行開(kāi)合疲勞試驗(yàn)時(shí)發(fā)生早期斷裂，其斷裂位置如圖1所示。為查找斷裂原因，提出改進(jìn)措施，本文對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

圖1 彈簧斷裂位置

2 試驗(yàn)方法

采用目視及Stemi508體視顯微鏡對(duì)彈簧斷口進(jìn)行宏觀觀察。斷口經(jīng)超聲波酒精溶液清洗后置于Sigma300型掃描電鏡中進(jìn)行微觀觀察，并用X-maxn型X射線能譜儀對(duì)斷口表面附著物進(jìn)行微區(qū)成分能譜分析。將彈簧試樣冷鑲嵌并磨拋后檢驗(yàn)夾雜物含量，采用王水溶液浸蝕，觀察彈簧鋼絲縱向和橫向金相組織。采用 plasma2000型ICP發(fā)射光譜儀和CS-800型碳硫分析儀對(duì)彈簧進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。用610RS型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)彈簧表面至心部的硬度。

3 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

3.1 宏觀分析

彈簧斷口位于折彎區(qū)的中間位置，鋼絲表面發(fā)黃、光澤暗淡、不光滑。斷裂面與鋼絲軸線垂直，斷面凹凸不平，斷口附近無(wú)縮頸現(xiàn)象，呈宏觀脆性斷裂，如圖2a所示。在體視顯微鏡下觀察彈簧斷口，明顯分5個(gè)區(qū)域，即裂紋源區(qū)A、裂紋擴(kuò)展區(qū)B、瞬斷區(qū)C、第二裂紋源區(qū)D、第二裂紋源疲勞擴(kuò)展區(qū)E，如圖2b所示。裂紋源區(qū)A存在多個(gè)疲勞臺(tái)階，收斂于折彎區(qū)的外表面并向心部呈放射狀擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展區(qū)B面積較大，表面相對(duì)平坦，約占整個(gè)斷面的60%。在A區(qū)的對(duì)稱面存在第二個(gè)裂紋源區(qū)D，D區(qū)裂紋起源于折彎區(qū)的內(nèi)表面，同樣存在多個(gè)疲勞臺(tái)階。E區(qū)為第二裂紋源區(qū)D的疲勞擴(kuò)展區(qū)，擴(kuò)展范圍較小，表面較平坦。B區(qū)擴(kuò)展面積遠(yuǎn)大于E區(qū)，說(shuō)明裂紋源區(qū)A（折彎區(qū)外表面）受到的彎曲應(yīng)力大。B區(qū)與E區(qū)的交匯處存在相遇臺(tái)階，在此處彈簧發(fā)生斷裂，形成瞬斷區(qū)C。C區(qū)面積較小，約占整個(gè)斷面的5%，從循環(huán)周次角度來(lái)講屬高周低應(yīng)力疲勞斷裂。從以上分析可知，疲勞裂紋起源于鎖止彈簧折彎區(qū)內(nèi)外表面且為多源，屬典型的雙向彎曲疲勞斷裂。

圖2 彈簧斷口宏觀形貌

3.2 微觀分析

A區(qū)疲勞臺(tái)階起源于彈簧折彎區(qū)外側(cè)表面且有多個(gè)疲勞源，疲勞臺(tái)階放射狀擴(kuò)展形貌清晰可見(jiàn)，斷口表面黏附有黑色膠狀物，如圖3a所示；D區(qū)微觀形貌與A區(qū)類似，裂紋起源于彈簧折彎區(qū)內(nèi)側(cè)表面且為多源，同樣黏附有黑色膠狀物，如圖3b所示；B區(qū)可見(jiàn)細(xì)密的疲勞輝紋及二次裂紋，如圖3c所示；C區(qū)微觀形貌為韌窩，如圖3d所示；從彈簧側(cè)表面可觀察到大量沿鋼絲軸線平行分布的線狀缺陷及大小不等的凹坑，且存在多條徑向分布的疲勞裂紋，如圖3e所示；側(cè)表面疲勞裂紋的拐角處存在凹坑，說(shuō)明裂紋起源于此，在斷口表面形成疲勞臺(tái)階，并呈多源特征。裂紋縫隙內(nèi)同樣含有黑色膠狀物，如圖3f所示。

圖3 彈簧斷口及表面微觀形貌

對(duì)彈簧斷口黑色膠狀附著物進(jìn)行能譜分析，分析位置及譜線如圖4所示，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 膠狀附著物能譜分析結(jié)果 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

圖4 能譜分析位置及譜線圖

3.3 金相分析

依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中A法評(píng)定，彈簧鋼絲夾雜物級(jí)別為D0.5，說(shuō)明鋼絲原材料潔凈度良好。腐蝕態(tài)下觀察彈簧鋼絲縱向金相組織為拉長(zhǎng)狀的形變誘導(dǎo)馬氏體，如圖5a所示。橫向金相組織中晶粒細(xì)小，可明顯觀察到形變馬氏體組織，如圖5b所示。

圖5 彈簧鋼絲金相組織

304L不銹鋼絲母材主要由帶有孿晶和滑移帶的奧氏體構(gòu)成，當(dāng)其經(jīng)過(guò)多道次拉拔后，縱截面奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)，橫截面奧氏體組織內(nèi)滑移帶密度不斷增加，隨著拉拔道次的增加，發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體相變，形成鎖止彈簧形變馬氏體組織[1]。

3.4 化學(xué)成分檢測(cè)

在彈簧斷口附近取樣檢測(cè)化學(xué)成分，結(jié)果符合ASTM A959—2016《鍛制不銹鋼用協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)成分規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)指南》對(duì)304L不銹鋼的成分要求，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 斷裂彈簧化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

3.5 硬度檢測(cè)

依據(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)彈簧橫截面表面至心部進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，結(jié)果表明彈簧硬度均勻，平均值為44HRC，滿足鎖止彈簧硬度40～45HRC的技術(shù)要求，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 彈簧洛氏硬度 （HRC）

4 分析與討論

鎖止彈簧化學(xué)成分、夾雜物含量、硬度、金相組織均滿足相關(guān)技術(shù)要求。宏觀、微觀形貌分析表明，彈簧在開(kāi)合疲勞試驗(yàn)中的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂。試驗(yàn)過(guò)程中彈簧折彎區(qū)受到的雙向彎曲應(yīng)力最大，因此彈簧在折彎區(qū)發(fā)生疲勞斷裂。遠(yuǎn)離斷口位置也受到一定的彎曲應(yīng)力，這使得微觀分析中在彈簧側(cè)表面觀察到較多的疲勞裂紋。側(cè)表面存在大量沿鋼絲拉拔方向分布的冷拔磨痕及大小不等的冷拔凹坑。疲勞裂紋起源于冷拔磨痕的凹坑處，在交變彎曲應(yīng)力作用下造成應(yīng)力集中，使裂紋萌生、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鎖止彈簧疲勞斷裂。

金相分析中的形變誘導(dǎo)馬氏體組織是鋼絲經(jīng)多道次拉拔后形成的，形變馬氏體組織及拉拔加工硬化提高了彈簧鋼絲的硬度和疲勞強(qiáng)度。能譜檢測(cè)出彈簧斷口黑色膠狀物含有wC=71.88%、wO=17.13%、wCa=0.15%、wS=1.74%等，這是拉拔潤(rùn)滑劑的主要成分。鋼絲在拉絲模內(nèi)高溫、高壓條件下變形時(shí)，一部分潤(rùn)滑劑必將殘留在鋼絲冷拔磨痕及凹坑表面，再經(jīng)后一道去應(yīng)力回火，潤(rùn)滑劑因與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)而造成團(tuán)聚、固化并形成多元復(fù)合物[2]。在開(kāi)合疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，多元復(fù)合物黏附于彈簧斷口表面形成黑色膠狀物。宏觀分析中彈簧表面發(fā)黃、光澤暗淡，這是在200℃去應(yīng)力回火后形成的氧化色。

彈簧鋼絲由304L不銹鋼熱軋線材經(jīng)多道次冷拔成形，在冷拔過(guò)程中鋼絲與拉絲模構(gòu)成摩擦副，將發(fā)生黏著磨損形成冷拔磨痕[3]。黏著磨損產(chǎn)生的磨屑進(jìn)一步發(fā)生磨粒磨損，使磨痕處產(chǎn)生無(wú)規(guī)律分布的微小凹坑。由于磨痕和凹坑在多道次冷拔工藝中難以避免，因此應(yīng)在保證彈簧鋼絲冷拔表面質(zhì)量的前提下在去應(yīng)力回火后增加表面噴丸工藝。

金屬材料的疲勞強(qiáng)度受材料的表面質(zhì)量影響很大，表面噴丸工藝可消除冷拔過(guò)程中殘留的冷拔磨痕和凹坑，同時(shí)表層發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，形成一定厚度的硬化層。噴丸工藝可在鋼絲表面引入一定深度的殘余壓應(yīng)力層，進(jìn)一步提高材料表面的抗疲勞性能[4]。200℃去應(yīng)力回火可消除冷拔過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力，有利于提高材料的疲勞強(qiáng)度，但其會(huì)使材料表面顏色發(fā)黃形成輕微氧化，采用噴丸可消除氧化帶來(lái)的不利影響，因此在鎖止彈簧生產(chǎn)中增加表面噴丸工藝，可有效提高彈簧的疲勞壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）鎖止彈簧的失效性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂。

2）彈簧鋼絲表面在多道次冷拔過(guò)程中形成的冷拔磨痕和凹坑是造成鎖止彈簧疲勞斷裂的原因。

3）建議在鎖止彈簧生產(chǎn)中增加表面噴丸工藝，可提高彈簧的疲勞壽命。