往復耐久試驗中辦公椅構件斷裂失效分析

陳葉青,吳 歡,茅曄輝,吳益文,

(1.上海大學材料科學與工程學院,上海200072;2.上海出入境檢驗檢疫局,上海200135)

往復耐久試驗中辦公椅構件斷裂失效分析

陳葉青1,吳 歡2,茅曄輝2,吳益文1,2

(1.上海大學材料科學與工程學院,上海200072;2.上海出入境檢驗檢疫局,上海200135)

某批次辦公椅在往復耐久性試驗中發生椅背斷裂失效。采用斷口觀察、化學成分分析、硬度測試、夾雜物檢測、金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析,對辦公椅椅背中內置彈簧的斷裂原因進行了分析。結果表明:彈簧的表面硬度分布不均勻,表面有脫碳現象,近表面有夾雜物;這些缺陷破壞了基體的連續性,在椅背往復耐久性試驗中,產生了疲勞斷裂源;在多重應力作用下裂紋快速擴展,最終彈簧發生疲勞斷裂。

辦公椅;彈簧;疲勞斷裂;夾雜物;帶狀組織

圖1 椅背往復耐久性試驗加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading of reciprocating durability test of the chair back

根據QB/T 2280—2007《辦公椅》的要求,辦公椅需要進行椅背往復耐久性試驗,如圖1所示。試驗時,放置平衡載荷102 kg于椅座面中點,利用加載設備對椅背加載445 N,往復12萬次,座椅零部件若滿足無斷裂或豁裂現象、加載部位無明顯變形、座椅結構無松動等要求即為合格。某公司的某批次辦公椅在進行該試驗時,在往復10～11萬次的情況下椅背構件發生斷裂失效。經拆解發現該構件的內置彈簧已斷裂,該彈簧的牌號是SWOSC-V,為進口彈簧組件。采用斷口觀察、化學成分分析、硬度測試、夾雜物檢測等方法,對該批辦公椅椅背的斷裂原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 斷口觀察

通過宏觀觀察發現,桿件在中部斷裂,有少量的彎曲變形,其宏觀形貌如圖2(a)所示,斷口呈正斷斷口[1-2]。切取內置彈簧的斷口,對其進行超聲波清洗,然后放入掃描電鏡中觀察斷口的形貌,結果如圖2(b)所示。彈簧在交變載荷下發生斷裂,斷面無明顯的塑性變形,從斷口形貌可以看到明顯的放射條紋,初步確定該失效是脆性斷裂的彎曲疲勞失效[3-4]。根據放射條紋的收斂方向可以找到裂紋源,如圖2(b)所示,裂紋源在彈簧表面的中間位置,在裂紋源附近還發現有二次裂紋。疲勞裂紋產生于試件的表面位置,裂紋產生后沿著與軸線成45°角方向快速擴展,形成放射條紋。

圖2 椅背桿件的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the chair back rod：

1.2 化學成分分析

在彈簧斷裂部位附近取樣進行化學成分分析,分析結果如表1所示。根據JIS G3561—1994,可見該彈簧的化學成分符合標準要求。

表1 彈簧的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of the chemical compositions of the spring（mass） %

1.3 硬度測試

在彈簧斷裂部位附近取樣,根據GB/T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分:試驗方法》對試樣進行硬度測試,結果見表2。硬度測試結果發現,彈簧試樣表面中心部位的硬度為46～48 HRC,邊緣部位的硬度為48～50 HRC,中心部位的硬度偏低。

表2 彈簧表面硬度測試結果Tab.2 Hardness testing results of the spring surface

1.4 夾雜物檢測

根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,在斷口附近取平行于縱軸方向的試樣作為夾雜物的檢驗面,經過磨制拋光后,用金相顯微鏡觀察彈簧中夾雜物的情況。經檢驗,彈簧中夾雜物的等級為:A1,B1, C2,D2,符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求,但C類和D類夾雜物已經達到標準上限。而且檢測中發現有鏈狀式脆性夾雜物分布在彈簧的近表面,如圖3所示,夾雜物嚴重破壞了基體的連續性,導致基體的強度和塑性降低,引起應力集中,對彈簧的疲勞性能有很大的危害。

圖3 夾雜物的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of inclusions：

1.5 金相檢驗

對彈簧邊緣處的組織進行金相檢驗,結果如圖4所示。結果顯示彈簧表面無明顯缺陷,比較光潔。根據GB/T 224—2008《鋼的脫碳層深度測定法》多次測量彈簧的脫碳層深度,結果顯示彈簧最大的總脫碳層深度約為0.05 mm,如圖4所示。

圖4 彈簧表面及脫碳層形貌Fig.4 Morphology of surface and decarburized layer of the spring

從斷口附近截取一段試樣,經過磨制拋光后,用4%(體積分數)硝酸酒精侵蝕后,在金相顯微鏡下觀察其組織形貌。如圖5所示,彈簧的顯微組織為回火屈氏體和針狀鐵素體,彈簧表面中間位置存在粗大的連續帶狀組織。

圖5 彈簧中的帶狀組織形貌Fig.5 Banded structure morphology in the spring

1.6 掃描電鏡和能譜分析

彈簧斷口的掃描電鏡形貌如圖6所示,從圖6 (a)的微觀形貌上可觀察到結晶小平面,結合宏觀斷口形貌可以進一步確定該彈簧的斷裂性質為脆性斷裂。同時還發現,斷口上存在一些夾雜物剝落而形成的孔洞,如圖6(b)所示。裂紋在擴展的過程中遇到脆性夾雜物,它的存在嚴重破壞了基體的連續性,加速了裂紋的擴展,最終導致彈簧斷裂。

對彈簧斷口中的夾雜物進行了能譜分析,結果如圖7所示,可見夾雜物的成分主要為鉻、硅、氧、氮等元素,屬于氮化物和氧化物類夾雜。

2 分析與討論

根據以上的理化檢驗結果,導致彈簧斷裂的因素可能有以下幾個方面。

圖6 彈簧斷口的掃描電鏡形貌Fig.6 SEM morphology of the spring fracture：

圖7 夾雜物能譜分析結果Fig.7 EDSanalysis result of inclusions：

(1)彈簧表面硬度不均勻。彈簧淬火、回火后的組織為回火屈氏體和少量針狀鐵素體,具有較高的強度、硬度和抗疲勞性能。但是硬度測試結果顯示,彈簧表面的硬度分布不均勻,表面中心位置的硬度低于其他位置的硬度,這主要是由中心部位的帶狀組織造成的,鐵素體相對于屈氏體是塑性相,硬度較低。

(2)彈簧組織中存在夾雜物缺陷。夾雜物檢測發現,C類和D類夾雜物已經達到標準上限,且彈簧近表面分布有鏈狀式脆性夾雜物,夾雜物嚴重破壞了基體的連續性,而且形變率低的脆性夾雜物在鋼中不能很好地傳遞力,容易導致應力集中,最后產生裂紋或者加速裂紋的擴展。有文獻表明[5-6],相同的夾雜物分布在彈簧的不同位置時,對疲勞性能的影響也會不同,當服役過程中彈簧承受的最大應力在表面區域時,分布在表面或近表面的夾雜物對疲勞性能的危害會顯著增加。

(3)彈簧表面存在脫碳現象。表面狀態觀察結果顯示彈簧表面有一定程度的脫碳現象,而脫碳會嚴重影響零件的表面強度,降低疲勞性能。工藝上常常采用噴丸的方式使表面產生壓應力,提高表面質量,雖然噴丸可以通過產生壓應力提高表面強度,進而影響疲勞性能,但不能完全消除脫碳帶來的不利影響[7]。

(4)彈簧組織中存在帶狀組織。帶狀組織是由枝晶偏析造成的,在軋制過程中粗大的枝晶沿著軋制方向呈條帶狀分布,實際是碳及合金元素貧化帶和碳及合金元素富化帶彼此交替堆積的結果[8-9],熱處理后形成了以屈氏體為主和以鐵素體為主的兩種組織交替分布的形式。這兩種組織的彈性模量不同,屈氏體硬度要高于鐵素體硬度,在載荷的作用下,兩種組織不能很好地協調應變,在兩個組織之間容易形成應力集中,引起疲勞損傷和裂紋[10]。

綜上所述,彈簧粗大的帶狀組織和硬度分布不均勻,使彈簧在受力時產生應力集中,由于表面脫碳進一步降低了表面強度,易產生裂紋,而近表面的夾雜物缺陷破壞了基體的連續性,導致裂紋快速擴展,最終彈簧斷裂。

3 結論及建議

(1)結合斷口的宏觀形貌和顯微形貌觀察,可以判定該辦公椅內置彈簧的斷裂屬于脆性的疲勞斷裂。

(2)彈簧表面中心位置,也就是裂紋源所在的位置存在粗大的連續帶狀組織,心部硬度偏低,且硬度分布不均勻,這也是導致此次疲勞斷裂的主要原因。其次近表面的夾雜物及脫碳也進一步降低了彈簧的疲勞性能,加速了裂紋擴展。

(3)為避免出現粗大的帶狀組織,建議提高鑄坯成分的均勻性,減少雜質、提高純凈度,在后期要合理控制軋制工藝,在熱處理過程中合理控制冷卻速率,是消除和改善帶狀組織的關鍵。

[1] 劉志瑩,史霞,王道勇,等.發動機連桿斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(11):829-834.

[2] 杜顯彬,戈文英,周平,等.60Si2 Mn彈簧扁鋼疲勞試驗斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2003,39(8): 433-435.

[3] DEREK H.斷口形貌學[M].北京:科學出版社, 2009.

[4] 鐘群鵬,趙子華,張崢.斷口學的發展及微觀斷裂機理研究[J].機械強度,2005,27(3):358-370.

[5] 薛正良,李正邦,張家雯.不同生產工藝對高強度彈簧鋼夾雜物尺寸分布及疲勞性能的影響[J].鋼鐵, 2002,37(1):22-25.

[6] 魯修宇,戴明杰,吳杰,等.夾雜物對彈簧鋼疲勞性能的影響[J].武漢工程職業技術學院學報,2014,26 (2):28-31.

[7] 彭文屹,張健.彈簧鋼穩定桿失效分析[J].金屬熱處理,2010,35(4):93-95.

[8] 張迎暉,賴泓州,趙鴻金.鋼中帶狀組織的研究現狀[J].軋鋼,2014,31(3):45-47.

[9] 劉云旭.低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除[J].金屬熱處理,2000,25(12):1-3.

[10] 廖慶亮,程亞杰,孫斌堂,等.二次帶狀組織對低合金非調質鋼疲勞性能的影響[J].工程科學學報,2015, 37(12):1581-1587.

Analysis on Fracture Failure of Office Chair Components in Reciprocating Durability Test

CHEN Ye-qing1,WU Huan2,MAO Ye-hui2,WU Yi-wen1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China; 2.Shanghai Entry-Exit Inspection&Quarantine Bureau,Shanghai 200135,China)

During the reciprocating durability test of a batch of the office chairs,the chair backs fractured to failure.By means of fracture analysis,chemical composition analysis,hardness testing,inclusion inspection, metallographic inspection,scanning electron microscope(SEM)and energy spectrum(EDS)analysis,the reasons why internal springs of office chair backs fractured in reciprocating durability test were analyzed.The results show that:the hardness distribution of the spring surface was uneven,and there were surface decarburization on surface and the inclusions in subsurface;these defects destroyed the continuity of the matrix,leading to the crack source during reciprocating durability test;the cracks propagated rapidly under the multiple stress condition,and finally fatigue fracture occurred to the springs.

office chair;spring;fatigue fracture;inclusion;banded structure

TG115.2

:B

:1001-4012(2017)01-0042-04

10.11973/lhjy-wl201701010

2016-06-29

陳葉青(1991—),女,碩士,主要從事深冷處理的研究。

吳益文(1967—),男,高級工程師,碩士,主要從事力學性能及綠色再制造的研究,wuyw＠shciq.gov.cn。