60Si2MnA鋼彈簧壓力試驗(yàn)斷裂原因分析

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(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院, 武漢 430080)

實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可

60Si2MnA鋼彈簧壓力試驗(yàn)斷裂原因分析

王俊霖,韓榮東,歐陽(yáng)珉路,熊飛,王志奮

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院, 武漢 430080)

某60Si2MnA鋼彈簧在壓力試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生斷裂失效，采用斷口宏微觀分析、掃描電鏡及能譜分析、金相分析等方法對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：彈簧表面存在較多的酸洗腐蝕坑, 在壓力試驗(yàn)過(guò)程中成為應(yīng)力集中點(diǎn)，于腐蝕坑底萌生微裂紋，微裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致彈簧斷裂失效。最后根據(jù)彈簧斷裂原因提出了改進(jìn)建議。

60Si2MnA鋼; 彈簧; 壓力試驗(yàn); 斷裂; 酸洗; 腐蝕坑

60Si2MnA鋼因具有淬透性良好、韌性及塑性較高、脫碳傾向小、回火穩(wěn)定性及熱加工性能良好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速鐵路、汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)制造和工程機(jī)械等行業(yè)[1-2]。某公司生產(chǎn)的60Si2MnA鋼彈簧在壓力試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。斷裂彈簧整體宏觀形貌見圖1,該彈簧總長(zhǎng)度為440 mm，彈簧直徑為0.5 mm，斷裂發(fā)生在距其一端約60 mm處。為了查明該彈簧斷裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1斷口宏觀分析

首先對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行斷口宏觀分析。由圖1可見，斷裂位于彈簧一側(cè)靠近尾部處，兩個(gè)匹配彈簧斷口內(nèi)側(cè)存在一個(gè)較為平坦的平臺(tái)，該平臺(tái)顏色較其他部位的要深，由此判斷該部位為斷裂起始部位，如圖2中箭頭所指區(qū)域。

圖1 斷裂彈簧宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured spring

圖2 彈簧斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the spring

1.2斷口微觀分析

將斷口試樣置于酒精中進(jìn)行超聲波清洗，然后使用FEI Quanta 400掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，并配合使用能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。根據(jù)斷口表面的裂紋紋路判斷斷裂起源于彈簧內(nèi)圈表面部位，如圖3a)中箭頭所指部位[3]。高倍下觀察斷裂起源部位，可見該部位較為平坦，斷口表面有較多小坑，無(wú)明顯塑性變形或韌性斷裂特征，未觀察到明顯的夾雜物及機(jī)械損傷痕跡，見圖3b)；采用能譜儀對(duì)斷裂源小坑內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行成分分析，分析位置如圖4a)所示，可探測(cè)到氧、硅、氯、鉀、鉻、鐵等元素，見圖4b)。靠近斷裂起源部位的彈簧表面凹凸不平且較為粗糙，同時(shí)在該部位可觀察到一些細(xì)小的裂紋，見圖5a)；在遠(yuǎn)離斷口彈簧內(nèi)圈表面亦可觀察到一些橫向裂紋，這些裂紋區(qū)域彈簧表面也較為粗糙，凹凸不平，見圖5b)。

1.3金相分析

于彈簧斷裂起源處截取縱剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后在OLMPUS GX71金相顯微鏡下觀察。由圖6a)可見，裂紋擴(kuò)展方向與彈簧表面近似垂直，斷裂起源部位附近未觀察到聚集分布的夾雜物及高溫氧化特征；靠近起源部位彈簧內(nèi)圈表面可觀察到凹凸不平的小坑，見圖6b)。在遠(yuǎn)離斷口處的彈簧內(nèi)圈表面亦可觀察到與表面垂直的裂紋，裂紋由表面向鋼基體內(nèi)部延伸，裂紋處無(wú)明顯冶金缺陷，見圖6c)。

圖3 彈簧斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of the spring: a) overall morphology; b) fracture source morphology

圖4 斷裂源小坑內(nèi)物質(zhì)SEM形貌及EDS分析結(jié)果Fig.4 The a) SEM morphology and b) EDS analysis results of materials in the pits of fracture source

圖5 彈簧內(nèi)圈表面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of inner ring surface of the spring: a) near the fracture surface; b) far away from the fracture sruface

試樣經(jīng)3%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后再在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。由圖7可見，斷裂起源部位、裂紋附近以及遠(yuǎn)離斷裂起源部位的顯微組織相同，均為回火馬氏體，且無(wú)冷變形特征。

圖6 斷裂彈簧拋光態(tài)裂紋及內(nèi)圈面凹坑形貌Fig.6 Polishing state morphology of cracks and inner ring pits of the fractured spring: a) crack propagation morphology of the fracture; b) pits morphology on inner ring surface near the fracture; c) cracks morphology far away from the fracture

圖7 斷裂彈簧侵蝕態(tài)裂紋及顯微組織形貌Fig.7 Etching state morphology of cracks and microstructure of the fractured spring: a) microstructure near the fracture, at low magnification; b) microstructure near the fracture, at high magnification; c) microstructure near the cracks; d) microstructure far away from the fracture

2 分析與討論

從上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，彈簧斷裂起源處斷口表面平坦，呈脆性斷裂特征，這與彈簧的加載方式有關(guān)，壓力試驗(yàn)形成垂直彈簧表面的力，因而斷裂起源于彈簧表面。該彈簧生產(chǎn)工藝流程如下：沖壓→熱處理→酸洗→電鍍→壓力試驗(yàn)。由上述一系列檢驗(yàn)及分析結(jié)果可知，彈簧表面布滿大小不一、呈橢圓形的凹坑，此為彈簧表面腐蝕坑的典型形貌[4-5]。彈簧表面裂紋眾多，且相互平行，而這些裂紋均起源于表面的腐蝕坑。對(duì)斷裂起源部位彈簧表面凹坑內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，可探測(cè)到氧、硅、氯、鉀、鉻、鐵等元素。在彈簧生產(chǎn)過(guò)程中，只有酸洗這一道工序可以引入氯元素，因此判斷彈簧表面的凹坑是酸洗過(guò)程中所形成的腐蝕坑。腐蝕坑周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為彈簧表面的薄弱處，在壓力試驗(yàn)的載荷作用下于此處萌生裂紋，裂紋垂直于彈簧表面向內(nèi)部不斷擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

彈簧表面由于酸洗工藝不當(dāng)存在較多的腐蝕坑，這些腐蝕坑成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在壓力試驗(yàn)的載荷作用下由腐蝕坑底萌生微裂紋，裂紋垂直于彈簧表面向內(nèi)部不斷擴(kuò)展直至彈簧斷裂失效。

建議加強(qiáng)酸洗表面質(zhì)量檢查，剔除表面質(zhì)量不合格產(chǎn)品，或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量不合格彈簧進(jìn)行打磨后再進(jìn)行下一道工序處理，從而有效防止彈簧在使用中發(fā)生斷裂失效。

[1] 鄭國(guó)昱, 劉穎,閻巖,等.工程機(jī)械用60Si2MnA彈簧斷裂失效分析[J].河北冶金,2010(2):45-47.

[2] 王月祥,孫景花.60Si2Mn彈簧鋼力學(xué)性能不合格原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(7):515-517.

[3] 楊川.金屬零部件失效分析基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

[4] 張棟.失效分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[5] 伍超群,劉英坤,熊文.燃?xì)怃摴芨g穿孔原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(2):137-139,144.

ReasonAnalysisonFractureof60Si2MnASteelSpringduringPressureTesting

WANGJunlin,HANRongdong,OUYANGMinlu,XIONGFei,WANGZhifen

(Design and Research Institute of Wuhan Iron and Steel (Group) Corp., Wuhan 430080, China)

A 60Si2MnA steel spring fractured during pressure testing. Macro and micro fracture analysis, scanning electron microscope and energy spectrum analysis, metallographic analysis and so on, were carried out to study the fracture reasons. The results show that there were a lot of pickling corrosion pits on the surface of the spring which became the stress concentration points during the pressure testing. So micro-cracks formed at the bottom of the corrosion pits, and the micro-cracks expanded continuously and eventually led to the fracture failure of the spring. Finally, some improvement suggestions were put forward according to the fracture reasons of the spring.

60Si2MnA steel; spring; pressure testing; fracture; pickling; corrosion pit

TK225; TG115

B

1001-4012(2017)10-0746-04

10.11973/lhjy-wl201710011

2017-05-10

王俊霖(1984-)，男，工程師，主要從事金屬材料理化分析及材料研發(fā)工作，wjl_84@163.com