某產(chǎn)品回收彈簧斷裂分析

李 運(yùn) 趙 強(qiáng)

（海軍駐貴陽(yáng)地區(qū)軍事代表辦事處航空總體室，安順 561000）

某產(chǎn)品回收彈簧斷裂分析

李 運(yùn) 趙 強(qiáng)

（海軍駐貴陽(yáng)地區(qū)軍事代表辦事處航空總體室，安順 561000）

本文通過(guò)對(duì)彈簧的受力情況和斷口進(jìn)行分析，找出了彈簧斷裂失效的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

產(chǎn)品回收 彈簧斷裂 受力

Cr12Mn5Ni4Mo3Al鋼基本上屬節(jié)鎳型半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，有類似于奧氏體不銹鋼的優(yōu)異加工成形和焊接性能。此鋼經(jīng)冷變形、冷處理以及時(shí)效處理，具有比馬氏體型不銹鋼更高的強(qiáng)度，適合制造飛行器上多種超高強(qiáng)度不銹鋼件，也適宜于制造300℃溫度以下工作的彈性元件［1］。某產(chǎn)品上采用該種材料制成重要的彈性元件回收彈簧，其規(guī)格為Φ3.0材料。彈簧經(jīng)過(guò)超聲波探傷合格后，與另一零件焊接成一組件裝入產(chǎn)品，然后進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程為：濕熱試驗(yàn)→高溫試驗(yàn)→低溫試驗(yàn)→溫度沖擊試驗(yàn)→鹽霧試驗(yàn)→振動(dòng)試驗(yàn)→沖擊試驗(yàn)→壽命試驗(yàn)。在壽命試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生斷裂失效（理論試驗(yàn)275次，實(shí)際只試驗(yàn)了91次便發(fā)生了斷裂）。

1 斷口處分析

1.1 宏觀觀察

在宏觀下進(jìn)行觀察，彈簧斷口處以及臨近區(qū)沒(méi)有看見(jiàn)明顯的塑性變形，在彈簧內(nèi)圈可以看見(jiàn)有一黑色區(qū)域，其他區(qū)域可以看見(jiàn)金屬光澤，如圖1所示。通過(guò)低倍放大鏡進(jìn)行觀察，裂紋起始區(qū)域?yàn)橐恍∑矫?，該平面與彈簧內(nèi)圈表面約成90°，分別如圖2、圖3所示。在裂紋起始區(qū)域的彈簧內(nèi)圈表面可以看見(jiàn)黃褐色，但沒(méi)有看見(jiàn)非常明顯的機(jī)械損傷痕跡，如圖4所示。

圖1 斷口的宏觀形貌

圖2 裂紋起始區(qū)域黑褐色小平面

圖3 裂紋的起始位置

圖4 裂紋起始區(qū)域內(nèi)圈表面的顏色

1.2 金相組織

對(duì)彈簧的橫向高倍進(jìn)行磨制，腐蝕后可以觀察到細(xì)小的馬氏體組織，如圖5所示。在其邊緣區(qū)域沒(méi)有看見(jiàn)明顯的氧化脫碳特征，如圖6所示。

圖5 彈簧心部組織

1.3 掃描電鏡觀察

把斷口處置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，可以看見(jiàn)邊源呈龜裂狀泥紋花樣特征，如圖7所示。在黑褐色區(qū)域內(nèi)也可以看到泥紋花樣特征，如圖8所示。在有金屬光澤的區(qū)域可以觀察到韌窩形貌特征，為瞬斷區(qū)，如圖9所示。對(duì)斷口源區(qū)進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果顯示，彈簧中含有少量氯（Cl）、硫（S）、氧（O）等腐蝕性元素。

圖7 源區(qū)的龜裂狀泥紋花樣特征

圖8 黑褐色區(qū)域內(nèi)的泥紋花樣特征

圖9 金屬光澤區(qū)域內(nèi) 的韌窩形貌

2 彈簧的受力分析

圖10 彈簧受軸向拉力時(shí)的示意圖及某微段的扭矩分布

圖11 彈簧絲的橫截面

根據(jù)以上受力分析推測(cè)，該彈簧的斷裂起始點(diǎn)應(yīng)在內(nèi)側(cè)。根據(jù)實(shí)物，在宏觀下觀察也可證實(shí)這一點(diǎn)。

4 綜合分析

在斷口附近區(qū)域及彈簧表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的機(jī)械損傷痕跡和變形，證明彈簧不是因?yàn)闄C(jī)械損傷導(dǎo)致斷裂。

彈簧的高倍組織是馬氏體組織，邊緣沒(méi)有看見(jiàn)明顯的氧化脫碳特征，證明熱處理工藝恰當(dāng)。

在靠近彈簧內(nèi)圈表面的斷口附近，金屬表面有黃褐色特征，而且在斷口處發(fā)現(xiàn)的泥紋花樣特征屬于應(yīng)力腐蝕的典型特征。能譜分析結(jié)果表明，在源區(qū)存在硫（S）、氯（Cl）、氧（O）等腐蝕性元素。

綜上分析，彈簧斷口源區(qū)受到腐蝕，彈簧內(nèi)側(cè)受到的剪應(yīng)力最大。因此彈簧在腐蝕環(huán)境和工作應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

[1]中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)（第1分冊(cè)）結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼部分[S].1988.

[2]單輝祖，北京航空學(xué)院材料力學(xué)教研室.材料力學(xué)教程[M].1版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982.

Fracture Analysis of a Product Recovery Spring

LI Yun, ZHAO Qiang
(Aviation General Office of the military representative office of the navy in Guiyang, Anshun 561000)

In this paper, through the analysis of the force and the fracture of the spring, find out the reasons for the failure of the spring, and put forward the corresponding preventive measures.

product recovery, spring fracture, stress