不銹鋼扭簧斷裂失效分析

李燕，賴云亭，王昭，高振華，高潘

蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

斷裂扭簧為逆止閥閥軸處用于助關的彈簧，如圖1a所示，其作用是在閥門關閉過程中輔助加快關閉速度，該彈簧型式為直臂扭轉彈簧，直臂長度分別為13mm、50mm，長端直臂匹配閥桿聯動，為匹配閥桿形狀設置一彎角，約150°，扭簧長支臂作用于閥桿上，在閥門開啟、關閉過程中，通過該支臂傳遞力矩，實物圖如圖1b所示，斷裂位置位于閥板開合過程中扭簧的受力位置。

圖1 斷裂彈簧所在逆止閥

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀檢驗

圖2所示為斷裂扭簧斷口清洗前后宏觀形貌，斷口附近存在輕微塑性變形，表面大致分為兩個區域：一是平坦區，表面呈亮灰色，可見放射棱線；二是斷口表面粗糙區，與平坦區不在同一平面，與扭簧橫截面約呈60°，磨損嚴重。整個斷口表面存在大量淡黃色晶體附著物，利用酒精超聲清洗后，在體視顯微鏡下觀察斷口表面附著物已完全被清洗掉，說明斷口表面淡黃色附著物為彈簧斷裂后在系統環境中沉積所致，與斷裂本身無關。

圖2 斷裂扭簧宏觀形貌

2.2 化學成分分析

利用手持式X射線熒光光譜儀（無法測定C、Si、P、S等輕質元素，光譜檢測結果僅供參考）對斷裂扭簧進行光譜分析，結果見表1，其主要合金元素含量接近于國標中的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化馬氏體不銹鋼。

表1 斷裂扭簧光譜檢測結果（質量分數） （%）

2.3 金相檢驗

斷裂扭簧取橫截面金相試樣在金相顯微鏡下觀察，如圖3所示。其微觀組織為馬氏體+少量析出相，且在拋光態下邊緣位置存在表面缺陷，最大缺陷深度約為46μm。

圖3 斷裂扭簧橫截面金相照片

拋光態金相樣品在掃描電鏡下觀察，如圖4所示，表面均存在折疊缺陷，且表面處理層仍然完整連續，說明表面損傷是原始制造過程中產生的。

圖4 扭簧金相樣品拋光態SEM照片

2.4 斷口微觀分析

在掃描電鏡下觀察扭簧斷口，如圖5所示，表面平坦區可見明顯放射棱線，1區為啟裂位置；2、3區均呈沿晶開裂形貌，晶粒輪廓鮮明，晶界面上存在雞爪紋，屬于氫脆的典型特征。心部有一條斷續而曲折的鋸齒狀顯微裂紋；4區、5區主要特征為剪切韌窩，由于部分區域磨損嚴重，結合宏觀斷口附近的塑性變形特征，判斷斷口表面粗糙區的主要斷裂模式為過載斷裂。

圖5 彈簧側斷口SEM照片

將扭簧斷口樣品側面置于電鏡下觀察，斷口啟裂區可見明顯碰磨變形，如圖6所示。此處應為扭簧在服役過程中反復持續受力所致。與金相樣品觀察到扭簧表面缺陷一致，在電鏡下觀察到扭簧表面存在大量龜網紋狀表面缺陷。據相關文獻資料顯示，沉淀硬化型不銹鋼彈簧的主要生產過程為不銹鋼絲（固溶后酸洗）→冷纏成簧→去毛刺→端部加工→時效強化→表面處理→檢驗入庫[1]。結合扭簧表面形貌觀察推測，其表面缺陷應該在表面噴丸之前已經存在，為制造加工過程中所產生，并且扭簧的啟裂位置正是表面缺陷與受力重合的位置。

圖6 斷裂扭簧樣品表面缺陷SEM照片

3 分析與討論

斷裂扭簧的化學成分、顯微組織及硬度等方面均未見異常，但表面狀態檢測結果顯示存在大量龜紋狀表面缺陷，結合金相及掃描電鏡分析應為扭簧實際加工制造過程中產生的缺陷。在工程應用中，扭簧對表面缺陷非常敏感，表面缺陷的存在將大大降低其使用壽命[2，3]，根據現場反饋及斷口附近SEM觀察，斷裂位置與扭簧表面最大受力區域重合，啟裂區存在碰磨變形以及表面缺陷。

通過對扭簧斷口分析認為，扭簧斷裂主要經歷了兩個階段：第一階段為氫脆開裂，啟裂位置正是表面缺陷與受力重合的位置；第二階段為過載斷裂，當裂紋發展至斷面1/2位置后，閥門在定期切換過程中出現沖擊載荷，導致扭簧在有效承載面積減小的情況下出現過載斷裂。一定程度上來講表面缺陷促進和加速了扭簧的開裂，由于扭簧安裝后一個大修周期內即發生斷裂，并且現場調查設備所在環境溫度不高，外來引入氫的可能性不高，因此氫的主要來源可能是扭簧加工過程中酸洗等流程引入[3，4]。

4 結論與建議

本次扭簧斷裂的主要原因為其在制造過程中存在表面缺陷及除氫不盡所導致。對于新采購扭簧，應確保其各項指標均滿足采購標準要求，尤其是對表面缺陷的檢查方面，并建議在酸洗、表面處理工藝后應立刻進行除氫處理，同時建議增加閥門扭簧的檢查更換周期。