鎖止彈簧斷裂原因分析

李明，李金紅，劉月，李輝，王唯愷

錦州捷通鐵路機械股份有限公司 遼寧錦州 121116

1 序言

某廠生產的新產品鎖止彈簧材質為304L不銹鋼，其直徑5mm，原始長度120mm，屬異形彈簧。彈簧生產工藝：鋼液冶煉→熱軋→退火→酸洗鈍化→冷拔→折彎→回火（200℃去應力）。生產的該批次彈簧在進行開合疲勞試驗時發生早期斷裂，其斷裂位置如圖1所示。為查找斷裂原因，提出改進措施，本文對斷裂彈簧進行了理化檢驗與分析。

圖1 彈簧斷裂位置

2 試驗方法

采用目視及Stemi508體視顯微鏡對彈簧斷口進行宏觀觀察。斷口經超聲波酒精溶液清洗后置于Sigma300型掃描電鏡中進行微觀觀察，并用X-maxn型X射線能譜儀對斷口表面附著物進行微區成分能譜分析。將彈簧試樣冷鑲嵌并磨拋后檢驗夾雜物含量，采用王水溶液浸蝕，觀察彈簧鋼絲縱向和橫向金相組織。采用 plasma2000型ICP發射光譜儀和CS-800型碳硫分析儀對彈簧進行化學成分檢測。用610RS型洛氏硬度計檢測彈簧表面至心部的硬度。

3 試驗過程和結果

3.1 宏觀分析

彈簧斷口位于折彎區的中間位置，鋼絲表面發黃、光澤暗淡、不光滑。斷裂面與鋼絲軸線垂直，斷面凹凸不平，斷口附近無縮頸現象，呈宏觀脆性斷裂，如圖2a所示。在體視顯微鏡下觀察彈簧斷口，明顯分5個區域，即裂紋源區A、裂紋擴展區B、瞬斷區C、第二裂紋源區D、第二裂紋源疲勞擴展區E，如圖2b所示。裂紋源區A存在多個疲勞臺階，收斂于折彎區的外表面并向心部呈放射狀擴展。裂紋擴展區B面積較大，表面相對平坦，約占整個斷面的60%。在A區的對稱面存在第二個裂紋源區D，D區裂紋起源于折彎區的內表面，同樣存在多個疲勞臺階。E區為第二裂紋源區D的疲勞擴展區，擴展范圍較小，表面較平坦。B區擴展面積遠大于E區，說明裂紋源區A（折彎區外表面）受到的彎曲應力大。B區與E區的交匯處存在相遇臺階，在此處彈簧發生斷裂，形成瞬斷區C。C區面積較小，約占整個斷面的5%，從循環周次角度來講屬高周低應力疲勞斷裂。從以上分析可知，疲勞裂紋起源于鎖止彈簧折彎區內外表面且為多源，屬典型的雙向彎曲疲勞斷裂。

圖2 彈簧斷口宏觀形貌

3.2 微觀分析

A區疲勞臺階起源于彈簧折彎區外側表面且有多個疲勞源，疲勞臺階放射狀擴展形貌清晰可見，斷口表面黏附有黑色膠狀物，如圖3a所示；D區微觀形貌與A區類似，裂紋起源于彈簧折彎區內側表面且為多源，同樣黏附有黑色膠狀物，如圖3b所示；B區可見細密的疲勞輝紋及二次裂紋，如圖3c所示；C區微觀形貌為韌窩，如圖3d所示；從彈簧側表面可觀察到大量沿鋼絲軸線平行分布的線狀缺陷及大小不等的凹坑，且存在多條徑向分布的疲勞裂紋，如圖3e所示；側表面疲勞裂紋的拐角處存在凹坑，說明裂紋起源于此，在斷口表面形成疲勞臺階，并呈多源特征。裂紋縫隙內同樣含有黑色膠狀物，如圖3f所示。

圖3 彈簧斷口及表面微觀形貌

對彈簧斷口黑色膠狀附著物進行能譜分析，分析位置及譜線如圖4所示，其檢測結果見表1。

表1 膠狀附著物能譜分析結果 （質量分數） (%)

圖4 能譜分析位置及譜線圖

3.3 金相分析

依據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》中A法評定，彈簧鋼絲夾雜物級別為D0.5，說明鋼絲原材料潔凈度良好。腐蝕態下觀察彈簧鋼絲縱向金相組織為拉長狀的形變誘導馬氏體，如圖5a所示。橫向金相組織中晶粒細小，可明顯觀察到形變馬氏體組織，如圖5b所示。

圖5 彈簧鋼絲金相組織

304L不銹鋼絲母材主要由帶有孿晶和滑移帶的奧氏體構成，當其經過多道次拉拔后，縱截面奧氏體晶粒被拉長，橫截面奧氏體組織內滑移帶密度不斷增加，隨著拉拔道次的增加，發生形變誘導馬氏體相變，形成鎖止彈簧形變馬氏體組織[1]。

3.4 化學成分檢測

在彈簧斷口附近取樣檢測化學成分，結果符合ASTM A959—2016《鍛制不銹鋼用協調標準級成分規范的標準指南》對304L不銹鋼的成分要求，檢測結果見表2。

表2 斷裂彈簧化學成分（質量分數） (%)

3.5 硬度檢測

依據GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對彈簧橫截面表面至心部進行洛氏硬度檢測，結果表明彈簧硬度均勻，平均值為44HRC，滿足鎖止彈簧硬度40～45HRC的技術要求，檢測結果見表3。

表3 彈簧洛氏硬度 （HRC）

4 分析與討論

鎖止彈簧化學成分、夾雜物含量、硬度、金相組織均滿足相關技術要求。宏觀、微觀形貌分析表明，彈簧在開合疲勞試驗中的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂。試驗過程中彈簧折彎區受到的雙向彎曲應力最大，因此彈簧在折彎區發生疲勞斷裂。遠離斷口位置也受到一定的彎曲應力，這使得微觀分析中在彈簧側表面觀察到較多的疲勞裂紋。側表面存在大量沿鋼絲拉拔方向分布的冷拔磨痕及大小不等的冷拔凹坑。疲勞裂紋起源于冷拔磨痕的凹坑處，在交變彎曲應力作用下造成應力集中，使裂紋萌生、擴展，最終導致鎖止彈簧疲勞斷裂。

金相分析中的形變誘導馬氏體組織是鋼絲經多道次拉拔后形成的，形變馬氏體組織及拉拔加工硬化提高了彈簧鋼絲的硬度和疲勞強度。能譜檢測出彈簧斷口黑色膠狀物含有wC=71.88%、wO=17.13%、wCa=0.15%、wS=1.74%等，這是拉拔潤滑劑的主要成分。鋼絲在拉絲模內高溫、高壓條件下變形時，一部分潤滑劑必將殘留在鋼絲冷拔磨痕及凹坑表面，再經后一道去應力回火，潤滑劑因與空氣中的氧發生反應而造成團聚、固化并形成多元復合物[2]。在開合疲勞試驗過程中，多元復合物黏附于彈簧斷口表面形成黑色膠狀物。宏觀分析中彈簧表面發黃、光澤暗淡，這是在200℃去應力回火后形成的氧化色。

彈簧鋼絲由304L不銹鋼熱軋線材經多道次冷拔成形，在冷拔過程中鋼絲與拉絲模構成摩擦副，將發生黏著磨損形成冷拔磨痕[3]。黏著磨損產生的磨屑進一步發生磨粒磨損，使磨痕處產生無規律分布的微小凹坑。由于磨痕和凹坑在多道次冷拔工藝中難以避免，因此應在保證彈簧鋼絲冷拔表面質量的前提下在去應力回火后增加表面噴丸工藝。

金屬材料的疲勞強度受材料的表面質量影響很大，表面噴丸工藝可消除冷拔過程中殘留的冷拔磨痕和凹坑，同時表層發生加工硬化現象，形成一定厚度的硬化層。噴丸工藝可在鋼絲表面引入一定深度的殘余壓應力層，進一步提高材料表面的抗疲勞性能[4]。200℃去應力回火可消除冷拔過程中形成的殘余應力，有利于提高材料的疲勞強度，但其會使材料表面顏色發黃形成輕微氧化，采用噴丸可消除氧化帶來的不利影響，因此在鎖止彈簧生產中增加表面噴丸工藝，可有效提高彈簧的疲勞壽命。

5 結束語

1）鎖止彈簧的失效性質為雙向彎曲疲勞斷裂。

2）彈簧鋼絲表面在多道次冷拔過程中形成的冷拔磨痕和凹坑是造成鎖止彈簧疲勞斷裂的原因。

3）建議在鎖止彈簧生產中增加表面噴丸工藝，可提高彈簧的疲勞壽命。