扭轉彈簧鎘脆斷裂失效分析

馬麗莎，朱 媛，劉貴芳

(中航工業洪都集團650所，江西南昌 330024)

扭轉彈簧鎘脆斷裂失效分析

馬麗莎，朱 媛，劉貴芳

(中航工業洪都集團650所，江西南昌 330024)

鍍鎘的扭轉彈簧在裝配時發生斷裂。采用了能譜分析、金相分析和掃描電鏡分析等手段，對彈簧斷口進行了宏觀和微觀分析。結果表明，繞制過程中殘余在彈簧中的拉應力以及在除氫過程超溫，致使大量的鎘滲入到晶格之間，進而導致晶格之間結合力降低且脆化。在外力作用下，導致沿晶脆性斷裂。

扭轉彈簧;斷裂;鍍鎘;鎘脆;殘余應力

引 言

某廠生產的一批鍍鎘扭轉彈簧，在裝配時較多彈簧發生斷裂。彈簧鋼絲材料為70#鋼IIa強度組冷拔碳素彈簧鋼絲，彈簧絲d為0.6mm，彈簧中徑d為4.0mm，有效圈數為6，旋轉角為25°。生產工藝流程為:鉗工繞制→定形回火→校正→去應力回火→陽極電解除油→弱腐蝕→鍍鎘→除氫。

1 斷口與金相分析

1.1 裂紋形貌觀察

斷口宏觀形貌無明顯塑性變形，呈金屬光澤，在彈簧內圈表面多處還發現了周向裂紋，而彈簧外圈表面及側表面則未發現裂紋，見圖1。在視頻顯微鏡下可以清晰地看到彈簧表面局部鍍鎘層與正常鍍層形貌不同，呈類似龜裂的特征，見圖2。

圖1 彈簧斷口宏觀形貌

圖2 斷裂彈簧的鍍鎘表面形貌

1.2 斷口觀察及分析

對斷裂的斷口和周向裂紋人工打開斷口在掃描電鏡下進行觀察，發現其斷口形貌基本一致，斷口均由徑向斷口和軸向斜劈斷口兩部分組成，靠近彈簧內圈表面的斷口為平斷口，其它區域的斷口較粗糙，高差較大，為斜斷口，見圖3。彈簧的局部區域存在較為嚴重的表面損傷，其表面的鎘層已經出現熔化的跡象，損傷區域的鎘層已經溶化成顆粒狀，可見大量徑向裂紋，裂紋兩側的鎘層已熔化并深入裂紋內部，其形貌見圖4。

圖3 彈簧斷裂斷口

圖4 徑向裂紋鎘層溶化形貌

彈簧的斷口均由內圈表面起源，沿徑向擴展，擴展一定程度后沿軸向快速斷裂形成斜劈斷口。徑向斷口表面形貌見圖5，其斷裂特征基本被鎘覆蓋，但仍能判斷其起源于彈簧內圈表面;軸向斜劈斷口高倍形貌見圖6，裂紋沿彈簧絲的變形組織界面擴展，橫斷面可見韌窩特征。彈簧的斷口當中部分是從內圈表面起源徑向擴展并最終在大的扭轉應力作用下發生斷裂，其中徑向斷口表面呈解理斷裂特征。

圖5 斷口靠近內圈(源區)的形貌

圖6 軸向斜劈斷口的高倍形貌

1.3 裂紋金相觀察

在斷裂彈簧上取一段磨制金相試樣可觀察到徑向裂紋，見圖7。

圖7 斷裂彈簧上的裂紋

由圖7可以看出，在斷裂彈簧上約1/4簧圈內即發現了兩條裂紋。對裂紋的形貌在掃描電鏡下進行觀察，裂紋垂直于彈簧內圈表面擴展，裂紋較平直，僅在裂紋末端有一定的彎折，裂紋的匹配性較好，裂紋末端無明顯擴展，見圖8。裂紋在擴展過程中，可見多條垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋，這些裂紋的方向與變形組織的方向一致，沿變形組織界面擴展。

圖8 斷裂彈簧裂紋的形貌

1.4 能譜分析

將彈簧的斷口超聲波清洗后，利用能譜儀進行檢測。金相照片如圖9、圖10所示。

分別對金相試樣進行能譜分析，其結果見表1、表2。

圖9 彈簧的較長裂紋的金相試樣

圖10 彈簧較短裂紋的金相試樣

由表1可知，在金相試樣中徑向裂紋和軸向裂紋內均發現了鎘元素，但軸向裂紋中的w(鎘)低于徑向裂紋。

由表2可知，在金相試樣的較短的徑向裂紋和軸向二次裂紋處均發現了鎘元素的存在，且徑向裂紋w(鎘)很高。

2 分析與討論

由以上的試驗結果可知，斷裂彈簧的內圈存在大量的徑向裂紋，裂紋基本垂直簧絲，由彈簧表面向內部擴展，裂紋斷口表面為解理特征，表面覆蓋鍍鎘層。彈簧斷口皆由徑向斷口和軸向斜劈斷口兩部分組成，徑向斷口與徑向裂紋斷口特征相同，表面也被鎘層覆蓋，而軸向斷口為快速斷裂區。

表1 斷裂彈簧的金相試樣能譜檢測結果

表2 較長裂紋的金相試樣能譜檢測結果

金相檢查結果表明，彈簧還存在垂直于徑向裂紋的許多軸向二次裂紋，主裂紋和二次裂紋內均有鎘元素的存在，對彈簧斷口的能譜測試表明在徑向斷口上均存在一定量的鎘元素，越靠近源區其鎘元素的含量越高，表明斷口上的鎘是由彈簧表面向內部擴散的，而彈簧在裝配和使用過程中沒有高溫和鎘污染的條件［1］。

鎘脆是一種特殊脆性斷裂形式，形成鎘脆必須滿足三個基本條件:存在鎘元素、適當的拉應力和較高的溫度［2］。彈簧在繞制過程中，外圈表面承受拉應力，而內圈表面承受壓應力;彈簧繞制變形后，彈簧鋼絲材料都有恢復原狀態的傾向，致使彈簧外圈表面承受殘余壓應力，內圈表面承受殘余拉應力。［3，4］雖然回火工序可以消除彈簧的部分變形應力，但彈簧內圈表面這種內應力是回火工序無法消除的，導致彈簧內圈依然存在拉應力，這與圖1斷口宏觀形貌所觀察到的只有彈簧內圈表面存在多處周向裂紋相印證。再加上彈簧經過表面鍍鎘處理，所以其前兩個因素已經滿足。發生鎘脆的第三個必要條件是要存在一個較高的溫度，從彈簧的生產工藝過程來看，只有除氫工序才有高溫環境，所以該故障應出現在除氫工序。鎘的熔點只有321℃，環境溫度低于此溫度就可以發生鎘脆裂紋［4-6］。

彈簧在除氫過程雖然正常除氫溫度為(190±10)℃，但從圖4鎘層熔化形貌，可以得出除氫確實存在局部超溫現象。如果溫度超過250℃，金屬鎘會臨界于固、液兩態之間，加之彈簧內圈存在較大的拉應力，鎘會以液態甚至原子形式滲入到金屬的晶體之間，使彈簧金屬晶間結合力明顯降低，導致彈簧在外力作用下產生脆斷。

3 結論

彈簧在電鍍除氫過程存在超溫現象，加之彈簧內圈表面存在較高的殘余拉應力，致使大量的鎘以液態甚至原子形式滲入到彈簧金屬晶體間，造成彈簧沿晶脆斷(鎘脆)。

［1］劉慶瑞.WP7發動機壓氣機工作葉片鎘污染分析［J］.航空發動機，2003.29(1):34-38.

［2］電鍍手冊編寫組.電鍍手冊［M］.北京:國防工業出版社，1980:3.

［3］邱文鵬，常序華，王仁智.圓柱螺旋彈簧氫脆斷裂失效分析［J］.金屬制品，2007.33(1):24-27.

［4］張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊［M］.北京:機械工業出版社，2000:7.

［5］韓晶，徐巍.彈簧斷裂原因分析［J］.理化檢驗-物理分冊，2006(42):258-260.

［6］胡小華，馬林，黃飛波.扭轉彈簧氫脆斷裂失效分析［J］.金屬制品，2009.35(1):21-23.

Failure Analysis of Spiral Spring Cadmium Embrittlement Fracture

MA Li-sha，ZHU Yuan，LIU Gui-fang
(AVIC Hongdu Group 650 Institute，Nanchang 330024，China)

It was found that a kind of cadmium plated spiral springs fractured frequently during assembly.Macroscopic and microscopic investigation and analysis of the fractured spring were made with the use of measures of metallography，EDS and SEM.The results indicate that residual stress exists in the spring on the winding process of the spring and a large amount of cadmium atoms penetrate into the gaps between lattices of the spring substrate as temperature exceeds the prescribed value during the dehydrogen process of the spring after cadmium plating.These lead to cadmium embrittlement fracture along crystal boundaries of the spring substrate under the action of an external force.

spiral spring;fracture;cadmium plating;cadmium embrittlement;residual stress

TQ153.17

A

1001-3849(2010)12-0033-04

2010-06-30

2010-07-26