扭转弹簧镉脆断裂失效分析

马丽莎，朱 媛，刘贵芳

(中航工业洪都集团650所，江西南昌 330024)

扭转弹簧镉脆断裂失效分析

马丽莎，朱 媛，刘贵芳

(中航工业洪都集团650所，江西南昌 330024)

镀镉的扭转弹簧在装配时发生断裂。采用了能谱分析、金相分析和扫描电镜分析等手段，对弹簧断口进行了宏观和微观分析。结果表明，绕制过程中残余在弹簧中的拉应力以及在除氢过程超温，致使大量的镉渗入到晶格之间，进而导致晶格之间结合力降低且脆化。在外力作用下，导致沿晶脆性断裂。

扭转弹簧;断裂;镀镉;镉脆;残余应力

引 言

某厂生产的一批镀镉扭转弹簧，在装配时较多弹簧发生断裂。弹簧钢丝材料为70#钢IIa强度组冷拔碳素弹簧钢丝，弹簧丝d为0.6mm，弹簧中径d为4.0mm，有效圈数为6，旋转角为25°。生产工艺流程为:钳工绕制→定形回火→校正→去应力回火→阳极电解除油→弱腐蚀→镀镉→除氢。

1 断口与金相分析

1.1 裂纹形貌观察

断口宏观形貌无明显塑性变形，呈金属光泽，在弹簧内圈表面多处还发现了周向裂纹，而弹簧外圈表面及侧表面则未发现裂纹，见图1。在视频显微镜下可以清晰地看到弹簧表面局部镀镉层与正常镀层形貌不同，呈类似龟裂的特征，见图2。

图1 弹簧断口宏观形貌

图2 断裂弹簧的镀镉表面形貌

1.2 断口观察及分析

对断裂的断口和周向裂纹人工打开断口在扫描电镜下进行观察，发现其断口形貌基本一致，断口均由径向断口和轴向斜劈断口两部分组成，靠近弹簧内圈表面的断口为平断口，其它区域的断口较粗糙，高差较大，为斜断口，见图3。弹簧的局部区域存在较为严重的表面损伤，其表面的镉层已经出现熔化的迹象，损伤区域的镉层已经溶化成颗粒状，可见大量径向裂纹，裂纹两侧的镉层已熔化并深入裂纹内部，其形貌见图4。

图3 弹簧断裂断口

图4 径向裂纹镉层溶化形貌

弹簧的断口均由内圈表面起源，沿径向扩展，扩展一定程度后沿轴向快速断裂形成斜劈断口。径向断口表面形貌见图5，其断裂特征基本被镉覆盖，但仍能判断其起源于弹簧内圈表面;轴向斜劈断口高倍形貌见图6，裂纹沿弹簧丝的变形组织界面扩展，横断面可见韧窝特征。弹簧的断口当中部分是从内圈表面起源径向扩展并最终在大的扭转应力作用下发生断裂，其中径向断口表面呈解理断裂特征。

图5 断口靠近内圈(源区)的形貌

图6 轴向斜劈断口的高倍形貌

1.3 裂纹金相观察

在断裂弹簧上取一段磨制金相试样可观察到径向裂纹，见图7。

图7 断裂弹簧上的裂纹

由图7可以看出，在断裂弹簧上约1/4簧圈内即发现了两条裂纹。对裂纹的形貌在扫描电镜下进行观察，裂纹垂直于弹簧内圈表面扩展，裂纹较平直，仅在裂纹末端有一定的弯折，裂纹的匹配性较好，裂纹末端无明显扩展，见图8。裂纹在扩展过程中，可见多条垂直于裂纹扩展方向的二次裂纹，这些裂纹的方向与变形组织的方向一致，沿变形组织界面扩展。

图8 断裂弹簧裂纹的形貌

1.4 能谱分析

将弹簧的断口超声波清洗后，利用能谱仪进行检测。金相照片如图9、图10所示。

分别对金相试样进行能谱分析，其结果见表1、表2。

图9 弹簧的较长裂纹的金相试样

图10 弹簧较短裂纹的金相试样

由表1可知，在金相试样中径向裂纹和轴向裂纹内均发现了镉元素，但轴向裂纹中的w(镉)低于径向裂纹。

由表2可知，在金相试样的较短的径向裂纹和轴向二次裂纹处均发现了镉元素的存在，且径向裂纹w(镉)很高。

2 分析与讨论

由以上的试验结果可知，断裂弹簧的内圈存在大量的径向裂纹，裂纹基本垂直簧丝，由弹簧表面向内部扩展，裂纹断口表面为解理特征，表面覆盖镀镉层。弹簧断口皆由径向断口和轴向斜劈断口两部分组成，径向断口与径向裂纹断口特征相同，表面也被镉层覆盖，而轴向断口为快速断裂区。

表1 断裂弹簧的金相试样能谱检测结果

表2 较长裂纹的金相试样能谱检测结果

金相检查结果表明，弹簧还存在垂直于径向裂纹的许多轴向二次裂纹，主裂纹和二次裂纹内均有镉元素的存在，对弹簧断口的能谱测试表明在径向断口上均存在一定量的镉元素，越靠近源区其镉元素的含量越高，表明断口上的镉是由弹簧表面向内部扩散的，而弹簧在装配和使用过程中没有高温和镉污染的条件［1］。

镉脆是一种特殊脆性断裂形式，形成镉脆必须满足三个基本条件:存在镉元素、适当的拉应力和较高的温度［2］。弹簧在绕制过程中，外圈表面承受拉应力，而内圈表面承受压应力;弹簧绕制变形后，弹簧钢丝材料都有恢复原状态的倾向，致使弹簧外圈表面承受残余压应力，内圈表面承受残余拉应力。［3，4］虽然回火工序可以消除弹簧的部分变形应力，但弹簧内圈表面这种内应力是回火工序无法消除的，导致弹簧内圈依然存在拉应力，这与图1断口宏观形貌所观察到的只有弹簧内圈表面存在多处周向裂纹相印证。再加上弹簧经过表面镀镉处理，所以其前两个因素已经满足。发生镉脆的第三个必要条件是要存在一个较高的温度，从弹簧的生产工艺过程来看，只有除氢工序才有高温环境，所以该故障应出现在除氢工序。镉的熔点只有321℃，环境温度低于此温度就可以发生镉脆裂纹［4-6］。

弹簧在除氢过程虽然正常除氢温度为(190±10)℃，但从图4镉层熔化形貌，可以得出除氢确实存在局部超温现象。如果温度超过250℃，金属镉会临界于固、液两态之间，加之弹簧内圈存在较大的拉应力，镉会以液态甚至原子形式渗入到金属的晶体之间，使弹簧金属晶间结合力明显降低，导致弹簧在外力作用下产生脆断。

3 结论

弹簧在电镀除氢过程存在超温现象，加之弹簧内圈表面存在较高的残余拉应力，致使大量的镉以液态甚至原子形式渗入到弹簧金属晶体间，造成弹簧沿晶脆断(镉脆)。

［1］刘庆瑞.WP7发动机压气机工作叶片镉污染分析［J］.航空发动机，2003.29(1):34-38.

［2］电镀手册编写组.电镀手册［M］.北京:国防工业出版社，1980:3.

［3］邱文鹏，常序华，王仁智.圆柱螺旋弹簧氢脆断裂失效分析［J］.金属制品，2007.33(1):24-27.

［4］张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册［M］.北京:机械工业出版社，2000:7.

［5］韩晶，徐巍.弹簧断裂原因分析［J］.理化检验-物理分册，2006(42):258-260.

［6］胡小华，马林，黄飞波.扭转弹簧氢脆断裂失效分析［J］.金属制品，2009.35(1):21-23.

Failure Analysis of Spiral Spring Cadmium Embrittlement Fracture

MA Li-sha，ZHU Yuan，LIU Gui-fang
(AVIC Hongdu Group 650 Institute，Nanchang 330024，China)

It was found that a kind of cadmium plated spiral springs fractured frequently during assembly.Macroscopic and microscopic investigation and analysis of the fractured spring were made with the use of measures of metallography，EDS and SEM.The results indicate that residual stress exists in the spring on the winding process of the spring and a large amount of cadmium atoms penetrate into the gaps between lattices of the spring substrate as temperature exceeds the prescribed value during the dehydrogen process of the spring after cadmium plating.These lead to cadmium embrittlement fracture along crystal boundaries of the spring substrate under the action of an external force.

spiral spring;fracture;cadmium plating;cadmium embrittlement;residual stress

TQ153.17

A

1001-3849(2010)12-0033-04

2010-06-30

2010-07-26