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65Mn 弹簧钢簧片断裂分析

2021-08-08

失效分析与预防 2021年3期
关键词:簧片断口形貌

张 涛

(海军装备部,太原 030027)

0 引言

65Mn 弹簧钢具有含碳量高、强度高、硬度大、淬透性好、脱碳倾向小等优点,通常用作小尺寸各种扁圆弹簧、弹簧发条,也可制作弹簧环、气门簧、离合器簧片等[1-4]。厚度1.0~1.5 mm 的65Mn弹簧钢簧片在生产中易产生各种缺陷,如硬度异常、氧化与脱碳、热处理裂纹、氢脆、网状碳化物等。这些缺陷将导致簧片质量不稳定,极大可能造成整批报废[5],直接影响簧片产品的质量和生产效率。

刘金源等[6]研究了65Mn 弹簧钢盘条的相变组织分析,得出65Mn 奥氏体组织随着冷却速度升高,依次发生铁素体、珠光体和马氏体相变,当冷却速率超过30 ℃/s,钢中组织全部为马氏体[7],并据此制定了65Mn 盘条的控冷工艺。贾庆雪等[8]指出为了得到高的屈服强度和弹性性能,65Mn 弹簧片的硬度应控制在HRC 46~51,并且要确保晶粒度高于7 级,减少粗大的马氏体组织,因为细小晶粒有助于提升韧性和疲劳极限。杨建菊等[9]分析了GH4169 弹簧片的断裂原因,通过宏观、微观形貌,化学成分等分析得出簧片中的碳化物、析出物以及高温氧化和疲劳是其断裂的重要因素。陈再良等[10]分析了3 件脆性断裂的55CrSi 弹簧钢,结果表明,酸洗和电镀工艺中H 元素渗入高强度弹簧钢基体,在弹簧圈内侧的拉应力作用下发生延迟氢脆断裂。

本研究以断裂的65Mn 弹簧钢簧片(简称簧片)作为研究对象,利用扫描电镜、能谱分析、化学成分分析以及金相显微镜等技术手段,对簧片断口的宏观形貌、微观组织、化学成分及显微硬度等进行综合分析,得出失效机理,确定断裂原因,并提出有效措施以减少断裂失效的可能性。研究有利于提高65Mn 弹簧钢簧片材料的加工可靠性,也有助于完善相应的加工工艺方法。

1 断裂件概况

在簧片装配过程中发现1 个耳片的根部附近有断裂现象,将其拆卸下后,耳片根部与簧片完全断裂(图1),簧片厚度为1.2 mm,由下料→机加→热处理→表面处理等工序加工制成。

图1 簧片断裂图Fig.1 Fracture diagram of leaf spring

簧片作为弹簧件装入卡箍内,卡箍沿产品槽成环形装入并紧固。当设备分离或分解时,需要依靠簧片的弹力有效弹起紧固装置方可便于拆分。簧片质量和使用寿命对该设备质量、试验成功率、正常运作等起着至关重要的作用,本次簧片异常断裂严重影响了设备的质量、生产效率和进度。因此,对其断裂的原因、机理进行分析尤为迫切和重要。

2 试验过程

2.1 宏观观察

簧片断裂位置在一边耳片的根部,为了比对断口形貌,将另一边完好簧片的耳片进行人工掰断(图2)。

图2 簧片断裂位置Fig.2 Fracture position of leaf spring

采用体视显微镜对两个断口进行观察,可以看到,失效断面(图3a)呈颗粒状,断口齐平,存在较多反光的小刻面,比对断口(图3b)呈纤维状,未见明显反光现象。另外,2 个断口均有金属光泽,未见宏观材料缺陷、塑性变形及腐蚀痕迹,且断口较齐平;断口源区均位于表面,为多源起裂,扩展区呈放射状。

图3 簧片断口形貌Fig.3 Fracture morphology of leaf spring

2.2 微观观察及能谱分析

将失效簧片断口与比对件断口置于扫描电镜中进行观察。从图4 可以看出,失效断口整体以沿晶特征为主,裂纹源区呈沿晶形貌,扩展区呈沿晶+韧窝混合形貌(图4a、图4b),同时可见较多沿晶二次裂纹和撕裂棱特征,而且在大部分沿晶断面上可以观察到氢微孔及撕裂棱特征[11](图4c)。比对件整个断面均呈韧窝断裂形貌(图5),2 个断口均未见明显材料缺陷。

图4 失效断口微观形貌Fig.4 Micro morphology of failure fracture

图5 比对断口微观形貌Fig.5 Micro morphology of contrast fracture

查阅该批簧片原材料的化学成分及入厂复验记录(只对C、Mn 进行复测),均符合GB/T 1222—2007 中65Mn 材料的化学成分要求。对失效断面进行能谱分析,结果表明,断面含有大量Fe 元素及少量的Mn(1.0%,质量分数,下同)、Si(0.35%)元素,未发现有P、S、Sb、Sn 等杂质元素[12]。经与簧片的原材料化学成分对比,主合金元素及含量未见异常(表1)。

表1 簧片化学成分分析结果(质量分数/%)Table 1 Chemical composition analysis results of leaf spring (mass fraction/%)

2.3 金相观察及硬度、H 含量测试

从簧片的失效断口及比对断面上分别截取部分试样进行金相组织分析,结果显示,二者显微组织未见明显差异,主要组织结构相同,均为马氏体组织,未见组织缺陷(图6);但马氏体组织强度级别高(1500~1700 MPa),容易出现氢致脆[13]。

图6 失效件和比对件金相组织Fig.6 Metallographic structure of failure part and contrast part

从失效断面和比对簧片断面上随机各取5 点进行显微硬度测试,结果见表2。换算后的测试结果表明,失效件硬度平均值为HRC 48.5,比对件硬度平均值为HRC 46.2,两者材料硬度均符合设计要求(HRC 45~49),其中失效件硬度值接近设计要求上限。

表2 簧片显微硬度结果Table 2 Microhardness testing results of leaf spring

对失效件和比对件簧片进行H 含量测试,结果见表3。从表中可以看出,失效件簧片的H 含量明显高于比对件簧片的H 含量。

表3 簧片H 含量测试结果Table 3 Hydrogen content testing results of leaf spring

3 分析与讨论

能谱分析结果显示,断口未发现杂质元素,可排除热处理过程中杂质元素在晶界面上偏聚,降低晶界的聚合能而导致零件沿晶断裂的可能[14]。金相分析及显微硬度测试结果显示,断裂簧片所用材料的组织状态及硬度均未见异常,表明材料的热处理符合要求。

簧片断口的微观形貌表明:1)断口未见材料缺陷、塑性变形,且断口较齐平,也未见腐蚀痕迹,与腐蚀失效无关;2)失效断口整体以沿晶特征为主,存在较多沿晶二次裂纹和撕裂棱特征,且在大部分沿晶断面上可见氢微孔及撕裂棱发纹特征。另外,氢含量测试结果显示失效件簧片的H 含量明显高于比对件;因此,根据以上观察分析及H 含量测试结果,可以判断簧片的断裂模式为氢致延迟脆性断裂。

氢脆是由于H 渗入金属内部而产生的损伤,导致零件在低于材料屈服极限的静应力作用下延迟断裂,具有突发性[15]。簧片断裂位置为耳片的折弯处,经对目前在制簧片的工艺及操作检查分析,有2 个因素会加重折弯处应力集中:1)簧片折弯工序有A、B 两人倒班操作,A 为防止虎钳的钳口棱边、毛刺等对簧片造成损伤,使用厚度为0.2 mm的铜皮对簧片进行防护(图7a),折弯后的簧片在弯曲部位无压痕(图7b),而B 在进行折弯时,未采取任何防护措施,导致折弯后的簧片在弯曲部位有一条很明显的压痕(图7c),后经电镀处理后,镀覆层遮住簧片折弯处的压痕,但压痕加重应力集中;2)簧片折弯角度为156°~160°,根据零件结构及使用情况,可以分析得出折弯角度越小,应力越集中。

图7 折弯方法及折弯处形貌Fig.7 Bending process and shape of bending position

针对以上2 种因素,分别进行试验分析。

试验1:重新生产簧片工艺试验件56 件,28件由A 负责钳工折弯操作,另外28 件由B 负责钳工折弯操作,每4 件组成1 套,按照工艺装配要求,每套进行5 次装配、分解试验,共70 次,结果由A 折弯的簧片未发生断裂现象,由B 折弯的簧片有1 件发生断裂现象(图8)。

图8 人工弯折试验断裂簧片Fig.8 Fractured Leaf spring in artificial bending test

试验2:抽取该批剩余簧片16 件(复检角度偏下限156°),严格按照工艺装配要求进行反复拆装试验,共20 次。试验结果未发生断裂现象,可以排除角度偏下限引起应力集中。

通过上述的微观、化学成分、金相组织及硬度测试等分析和簧片折弯工艺可知:由于折弯工序未采取防护措施,对簧片折弯处造成了损伤,且该处存在较大的应力集中现象,大量H 原子向折弯处聚集,并在材料内部形成微小裂纹,随着裂纹逐渐扩展,最终致使簧片折弯处断裂[16]。

4 措施及验证

为了有效防止簧片氢脆断裂,对簧片加工工序提出以下措施:1)更改完善簧片的折弯工艺,将人工折弯改为模具折弯,并保证一次折弯成型,消除人工压痕,减少应力集中;2)由于断裂簧片的硬度接近上限要求,在技术要求范围内应适当降低硬度,并且严格按照热加工工艺要求执行热处理。

按照完善后工艺加工簧片24 件,4 件组成1 套,按照工艺装配要求分别进行簧片试装试验5 次,共计30 次。试验后,簧片折弯处无断裂现象。试验结果验证了完善后工艺的可行性。

5 结论

1)断裂簧片的硬度、化学成分、金相组织符合要求,但马氏体组织易出现氢脆,断面微观整体表现出沿晶特征并伴有发纹特点,断件氢含量明显高于比对件。

2)65Mn 弹簧钢簧片断裂是由于折弯处存在压痕,有较大的应力集中,大量H 原子向应力较大处聚集,一段时间后致使簧片折弯处断裂,性质为氢致延迟脆性断裂。

3)改进簧片折弯工艺,减少应力集中,在技术要求范围内适当降低材料硬度,可避免簧片发生断裂。

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