某液壓系統(tǒng)大型彈簧斷裂原因

袁 萍, 陳 怡, 王敬德

(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司四川分公司, 成都 610000)

某公司生產(chǎn)的一件用于液壓系統(tǒng)的圓柱螺旋壓縮彈簧，安裝完成后運(yùn)行20萬次即發(fā)生了斷裂，其設(shè)計(jì)壽命為40萬次。該彈簧的服役環(huán)境好，無腐蝕、灰塵、高溫、潮濕等條件。彈簧材料為60Si2MnA鋼，要求熱處理態(tài)的硬度為42～48 HRC；彈簧鋼絲料直徑16 mm，彈簧中徑140.5～143.5 mm，自由長度610 mm，有效圈數(shù)13圈，總?cè)?shù)14.5圈；彈簧加工工藝為熱卷→去應(yīng)力退火→淬火+回火→噴丸→噴塑，其中噴丸的工藝為鋼丸直徑1.2 mm，噴丸時(shí)間15～20 min，噴丸方式為履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼丸從下面打在彈簧上。為找到彈簧的斷裂原因，筆者對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行了金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測試、掃描電鏡分析等，以期減少該類事故的發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，斷后彈簧一側(cè)有12.5圈，斷口位于距一端端面2圈的位置，清除噴塑層后可見彈簧表面粗糙程度較為均勻，局部有沿棒料表面軸向延伸的線紋。由圖2可以看出,斷口具有疲勞特征,斷口裂紋源區(qū)位于斷口的左上角位置，形貌較為平坦，裂紋擴(kuò)展區(qū)的放射線收斂于左上方。由圖3可以看出，裂紋源區(qū)對(duì)應(yīng)的側(cè)面有一條沿長度方向擴(kuò)展的線紋。由圖4可以看出，斷口裂紋源區(qū)位于撕裂棱右側(cè)，且裂紋源區(qū)的右側(cè)有少量疲勞條帶。

圖1 斷裂彈簧的宏觀形貌

圖2 彈簧斷口宏觀形貌

圖3 斷口裂紋源區(qū)側(cè)面宏觀形貌

圖4 斷口裂紋源區(qū)低倍形貌

1.2 掃描電鏡分析

將斷口用超聲波清洗干凈，按照GB/T 17359-2012《微束分析 能譜法定量分析》的要求，將斷口置于SU1510型掃描電鏡(SEM)下觀察，并用HORIBA EMAX型能譜儀(EDS)進(jìn)行成分分析。由圖5可見，斷口裂紋源區(qū)側(cè)面附近的線紋缺陷為許多細(xì)小的裂紋。由表1可見，裂紋中含有氧、鋁、硅、鈣及鈦等雜質(zhì)元素，其中碳元素為表面涂層殘留下來的。

圖5 斷口裂紋源區(qū)側(cè)面SEM形貌及EDS分析位置

表1 圖5斷口裂紋源區(qū)側(cè)面不同位置的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

根據(jù)裂紋源區(qū)低倍觀察結(jié)果，對(duì)該區(qū)進(jìn)行放大觀察。由圖6和圖7可見，裂紋源區(qū)位于近表面位置。在交變載荷作用下，裂紋源區(qū)材料發(fā)生局部滑移[1]，斷口較為光滑。裂紋源區(qū)及附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)大尺寸夾雜物，夾雜物的能譜分析結(jié)果見表2，分析位置見圖7。由表2可以看出，夾雜物主要成分為氧、鈉、鋁、硅、磷、硫、鈣、鈦、鐵、鋅及鋇等元素。裂紋源區(qū)附近的疲勞條帶間距較大，說明初期疲勞裂紋擴(kuò)展緩慢，符合彈簧工作時(shí)的低周疲勞特征[2]。

圖6 斷口裂紋源區(qū)高倍形貌

圖7 斷口裂紋源區(qū)的大型夾雜物形貌及EDS分析位置

表2 圖7裂紋源區(qū)的夾雜物不同位置的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 金相檢驗(yàn)

在距裂紋源區(qū)0.5 mm位置沿徑向?qū)嗫谄书_，在正常位置截取金相試樣。采用Axio Scope A1型金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察，由圖8可見：彈簧鋼基體的顯微組織為索氏體+微量鐵素體。由圖9可見：裂紋源區(qū)附近彈簧鋼絲表面存在脫碳形成的鐵素體層，該部位組織存在明顯的塑性變形。由圖10可見，裂紋源區(qū)附近的彈簧鋼絲表面有一露頭夾雜物，長度為0.12 mm，寬度為0.02 mm，夾雜物全部位于表面的脫碳層內(nèi)。根據(jù)GB/T 224-2019《鋼的脫碳層深度測定法》的技術(shù)要求，采用金相法測得彈簧鋼絲外表面均勻脫碳層的深度為0.19 mm，脫碳層表面的鐵素體存在塑性變形，噴丸產(chǎn)生的加工硬化層深度為10 μm，如圖11所示。

圖8 斷裂彈簧鋼絲的顯微組織

圖9 斷口裂紋源區(qū)附近的顯微組織

圖10 斷口裂紋源區(qū)附近表面的脫碳層及露頭夾雜物形貌

圖11 彈簧鋼絲外表面脫碳層及塑性變形層形貌

在正常位置一側(cè)截取試樣，按照GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》的技術(shù)要求進(jìn)行奧氏體晶粒度的測定，測得邊部的晶粒度級(jí)別為7.5級(jí)，表明彈簧熱處理過程未出現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象，如圖12所示。

圖12 彈簧鋼絲的晶粒形貌

1.4 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》的技術(shù)要求，采用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀對(duì)彈簧鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，可見彈簧鋼的化學(xué)成分符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》對(duì)60Si2MnA鋼的要求。

表3 彈簧鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.5 硬度測試

在彈簧遠(yuǎn)離斷口的橫截面半徑1/2的位置，按照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》的技術(shù)要求，使用560RSS型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度測試。由表4可見，彈簧鋼硬度平均值為47.5 HRC，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱處理態(tài)彈簧鋼硬度的要求。

表4 彈簧鋼的硬度

2 分析與討論

彈簧鋼絲的表面線紋缺陷為許多斷續(xù)夾雜物露頭形成的細(xì)小裂紋。夾雜物的存在降低了鋼材內(nèi)部的連續(xù)性[3]。當(dāng)夾雜物缺陷位于鋼絲表面時(shí)，鋼絲受到拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)作用力就會(huì)萌生裂紋，在后續(xù)加載過程中裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展[4-5]。

一般而言硬度越高的材料，疲勞性能越好[6]。對(duì)于彈簧鋼而言，表面脫碳層厚度增加會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命下降[7]，彈簧鋼絲外表面經(jīng)過噴丸處理產(chǎn)生了一定深度的加工硬化層，但其表面也存在脫碳層，位于脫碳層的部分鐵素體出現(xiàn)輕微變形，而硬化層不足以抵消脫碳帶來的不良影響。此外，噴丸處理過程中彈簧表面會(huì)形成較高的殘余壓應(yīng)力，在彈簧承受交變載荷時(shí)，可以抵消一部分拉應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度，但抵消程度有限。這是彈簧疲勞壽命較低的一個(gè)重要原因。

3 結(jié)論及建議

彈簧的斷裂屬于低周疲勞斷裂，裂紋源區(qū)位于彈簧鋼絲近表面位置的大尺寸夾雜物處。夾雜物的存在降低了彈簧鋼內(nèi)部的連續(xù)性，彈簧鋼受到拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)作用力時(shí)會(huì)萌生裂紋，在后續(xù)服役過程中裂紋擴(kuò)展，最終斷裂。此外，彈簧噴丸處理形成的硬化層深度不夠，不足以抵消彈簧鋼絲表面脫碳層對(duì)彈簧疲勞壽命的不利影響，導(dǎo)致疲勞壽命降低。

建議生產(chǎn)彈簧的過程中盡可能減少彈簧表面的脫碳層，噴丸處理盡可能去除表面露頭夾雜物且形成足夠深度的硬化層。