摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、顯微硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法分析了 55SiCrA鋼彈簧疲勞斷裂的原因。結果表明:彈簧內、外側表面缺陷為潛在的裂紋源,在疲勞測試 過程中,缺陷處極易形成應力集中并產生裂紋,裂紋不斷擴展,最終導致彈簧斷裂。 

關鍵詞:55SiCrA鋼彈簧;表面缺陷;疲勞斷裂;硬度測試 

中圖分類號:TB31;TG115.2                      文獻標志碼:B                               文章編號:1001-4012(2023)04-0015-04 

在對55SiCrA鋼彈簧進行疲勞測試時,彈簧發 生斷裂,斷裂彈簧的宏觀形貌如圖1所示。當疲勞 周數為100萬次時彈簧發生斷裂,疲勞周數遠低于 正常要求。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、顯微 硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)分析等方法 研究了55SiCrA鋼彈簧疲勞斷裂的原因,以避免該 類事故再次發生。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

在光學顯微鏡下觀察彈簧斷口,發現其呈典型的 疲勞斷裂特征,裂紋源位于邊部,擴展區幾乎占據整 個斷面,斷口存在明顯的貝紋線,貝紋線呈弧形,平行 排列并與擴展方向垂直,斷口宏觀形貌如圖2所示。

觀察裂紋源附近的彈簧外表面,存在明顯的線 性缺陷,缺陷呈凹痕特征。與裂紋源近似對稱的內 表面存在同樣特征的線性缺陷(見圖3)。 

斷口存在2處裂紋源,且對稱分布在彈簧內、外 表面,其中外表面為主裂紋源,內表面為次裂紋源。

1.2 化學成分分析 

在彈簧上截取試樣,采用直讀光譜儀對其進行 化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:彈簧 的化學成分符合 GB/T1222—2016 《彈簧鋼》的 要求。 

1.3 金相檢驗 

沿斷口的裂紋源處截取金相試樣,在光學顯微 鏡下觀察其微觀形貌,發現主、次裂紋源對應的橫、縱截面上均存在向基體延伸的小裂紋,裂紋最大深 度約為0.03mm,裂紋內存在少量氧化鐵,未發現夾 雜物等冶金類缺陷。用4%(體積分數)的硝酸乙醇 溶液腐蝕試樣,腐蝕時間為5s,結果發現整個截面 顯微組織較均勻,均為回火屈氏體,裂紋附近無脫碳 現象,裂紋附近組織均存在輕微形變(見圖4,5)。

1.4 掃描電鏡分析 

將斷口試樣放入乙醇溶液中,再將其放在場發 射掃描電鏡下觀察,如果如圖6~9所示。主裂紋源 附近有一個光滑的小扇形區,扇形區內存在一處大 裂紋,未發現夾雜物等冶金類缺陷;扇形區部分已被 磨平,裂紋在該階段擴展較緩慢,在疲勞測試過程 中,斷口兩面相互擠磨,在斷口上形成最細滑的區 域。主裂紋源區域斷口呈韌窩特征(見圖6,7);次 裂紋源區域存在一處大裂紋,裂紋呈鋸齒狀,裂紋內及附近未發現夾雜物等冶金類缺陷,斷口呈韌窩特 征(見圖8)。擴展區占整個斷口約三分之二區域, 該區域分布有較多的二次裂紋,還存在明顯的疲勞 輝紋,呈波浪形臺階狀,該臺階為裂紋擴展留下的微 觀痕跡[1],擴展區呈準解理特征(見圖9)。

1.5 顯微硬度測試 

在裂紋源處橫截面試樣的二分之一半徑處進行 顯微硬度測試,測試位置如圖10所示,測得位置1 的硬度為513HV,位置2的硬度為522HV,兩者 平均值為518HV。可見兩處二分之一半徑位置的 硬度無明顯偏差,且硬度滿足用戶協議的要求。

2 綜合分析 

由宏觀觀察與掃描電鏡分析結果可知:該彈簧 發生了疲勞斷裂,彈簧表面的線性缺陷為潛在裂紋 源,在進行疲勞測試的過程中,裂紋源處極易出現應 力集中,使裂紋進一步擴展,留下貝紋線,最終導致 彈簧發生斷裂[2]。 

斷裂彈簧的化學成分滿足 GB/T1222—2016 的要求,通過顯微硬度測試,裂紋源處橫截面試樣的 顯微硬度滿足用戶協議的要求。由表面缺陷的宏觀 形貌與顯微組織形貌可知:彈簧斷口裂紋源對應表 面連續的線性缺陷是鋼盤條表面缺陷引起的[3]。 

彈簧鋼的硬度高[4],微小的表面缺陷極易變成 裂紋[5]。在使用過程中,彈簧鋼容易因受力而產生 應力集中,使裂紋不斷擴展,最終導致彈簧斷裂,從 而縮短彈簧的使用壽命。 

3 結語與建議 

該彈簧的化學成分、顯微硬度、顯微組織等符合 相關要求,但彈簧表面缺陷為原材料的初始缺陷,在 疲勞測試時成為裂紋源,受到外加載荷后,裂紋源處 出現應力集中,從而產生裂紋,裂紋不斷擴展,最終 導致彈簧發生疲勞斷裂。

要延長彈簧的疲勞壽命,需要提高彈簧鋼盤條的表 面質量。建議根據彈簧的用途,制定不同等級的盤條表 面缺陷可接受范圍,并采用金相檢驗方法對盤條表面缺 陷的深度進行檢測,確保盤條的表面質量滿足要求。 

參考文獻: 

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<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 4期 (pp:15-18)>