55CrSi 弹簧断裂原因分析

2021-10-17高文香高玉周

失效分析与预防 2021年4期

高文香，高玉周

（大连海事大学交通运输工程学院，辽宁大连 116026）

0 引言

弹簧在产生及恢复变形时，利用材料的弹性和自身的结构特点，把机械能或动能转变为形变能（或者把形变能转变为动能或机械能），具有缓冲平衡、减震、机械储能、控制运动、定位等功能，是机械零件的重要基础，广泛应用于机械仪表、电器、交通运输、航空航天等领域[1-3]。工作过程中，弹簧起到缓冲平衡、自动控制、储存能量、安全保险等作用[4-5]。弹簧是承受交变载荷的零件，此类零件的失效模式通常为疲劳断裂，而疲劳断裂对零件的表面状态（如应力集中、脱碳等）尤为敏感[6]。弹簧的疲劳损伤等失效形式，在各种机械及仪表的使用过程中经常发生，有时会造成严重事故，甚至危及到人们的生命安全[7]。螺旋弹簧冷弯成型时，在卷簧过程中由于工艺装备不良或调整操作不当，会使弹簧表面产生缺陷，如自动卷簧机切断弹簧时，刀具有可能插伤邻近弹簧盘条的内表面；喷丸处理不当也会对弹簧钢表面造成损伤[8]。弹簧钢在各种载荷作用下容易发生损伤；因此，提高弹簧钢的性能、了解弹簧钢的失效原因就显得尤为重要[9]。

55CrSi 弹簧安装在柴油机泵下体内部，服役约400 h 后，24 件弹簧中有3 件发生断裂。弹簧预计使用寿命为2000～3000 h。弹簧安装在泵下体内部（柴油机运行时弹簧不会和周围碰撞），泵下体安装在柴油机上时弹簧处于压缩状态，此时弹簧的长度约为69 mm（弹簧自由长度为84.5 mm），柴油机运行时弹簧长度为47～69 mm 内变化，压缩量大约为22 mm（图1）。本研究通过分析断裂弹簧的裂纹形态、断口形貌以及金相组织，确定弹簧的失效机制，并对失效原因进行分析。

图1 弹簧安装示意图Fig.1 Schematic diagram of spring installation

1 试验研究

1.1 表面形貌观察

1#弹簧断裂发生在第5 圈处，2#弹簧断裂发生在2.75 圈处，3#弹簧断裂发生在2.2、4.5 圈处（图2）。在3 个断裂弹簧表面都发现了不同长度的凹痕，以2#弹簧为例，其下表面存在断断续续的凹痕（图3a），通过扫描电子显微镜观察测量可知，凹痕总长为18 mm，最大宽度为0.65 mm，最大深度为0.22 mm。凹痕表面处有明显的针状磷化颗粒（图3b），应在弹簧表面处理即磷化前的簧丝制备、弹簧卷制过程中形成的。并且在弹簧裂纹源处有一凸起伸出物，与断裂一侧的凹陷相合（图3c）。凹槽内部光滑，无磷化膜存在，断面上没有外力拉延的金属断口及疲劳断口特征，表明该部位属于折叠缺陷，属于弹簧原材料的缺陷。

图2 弹簧断裂位置Fig.2 Fracture position of springs

图3 断裂弹簧表面形貌Fig.3 Surface morphology of broken spring

1.2 断口形貌

弹簧断口均展示了相似的宏观特征，以2#弹簧断口为例进行分析。2#断口宏观形貌如图4a 所示，可以看出，弹簧断口表面出现了明显的由表向里的放射状条纹扩展痕迹，断口表面的放射状条纹收敛于表面凹陷处（箭头所指处），扩展区表面与弹簧线轴心呈45°，当扩展区表面扩展到弹簧线轴心时，沿弹簧丝径中心表面扩展，形成最后撕裂区，瞬断区呈粗糙的撕裂棱形貌。弹簧断口的裂纹扩展区具有典型的疲劳断裂微观特征-疲劳条带，疲劳扩展方向由弹簧表面指向心部位置（图4b）。进一步观察失效弹簧的裂纹源位置、裂纹扩展方向，该断口具有疲劳源区、裂纹扩展区、瞬断区，说明弹簧的早期失效属于疲劳断裂。

图4 断口形貌Fig.4 morphology of fracture

1.3 化学成分分析

原材料的化学成分是保证弹簧力学性能的基础，也是制定热处理工艺的依据；因此，检测材料的化学成分是材料加工应用的重要组成部分。由直读光谱仪检测可知，该弹簧化学成分符合55CrSi 弹簧钢的要求。

1.4 力学性能测试

对断裂弹簧附近靠近断口处的试样进行硬度测试，可知硬度符合技术要求。根据GB/T 1172—1999 对断裂弹簧的抗拉强度进行换算，结果表明，断裂弹簧的抗拉强度满足GB/T 1222—2007 的要求（表1）。

表1 断裂弹簧的硬度及抗拉强度Table 1 Hardness and tensile strength of broken springs

1.5 金相检测

1）在断裂弹簧断口附近取纵向试样，经镶嵌、磨拋后，采用苦味酸腐蚀剂浸蚀后轻抛，在光学显微镜下观察，可见明显的方向性拉拔痕迹，夹杂物或气孔沿流线方向分布（图5a）。在断口处取横向试样进行观察，表面无明显脱碳现象[5]，断口处及远离断口的心部处显微组织为回火屈氏体，无自由铁素体，在横截面上存在气孔和微小夹杂，腐蚀后呈黑色斑点状（图5b）。断裂弹簧的显微组织合格。

图5 金相组织形貌Fig.5 Microstructure morphology

2）在弹簧裂纹源附近用线切割切取试样，然后磨制成金相试样，并对其夹杂物水平进行分析。按GB/T 10561—2005 进行夹杂物评定，夹杂物为D 类（环状氧化物类）-细系，标准中D 类-细系的环状氧化物类尺寸为3～8 μm，而断裂弹簧的夹杂物大部分小于3 μm。夹杂物等级符合技术要求。将制备的金相试样用过饱和苦味酸进行浸蚀。根据GB/T 6394—2002 规定，用截面法测定了平均晶粒度，晶粒度等级为9 级，满足使用要求。

3）弹簧钢的熔炼方式为连铸连轧。图6 为断口横截面示意图，对断裂弹簧切取横截面试样，采用苦味酸浸蚀后轻轻抛光，采用光学显微镜观察，在丝径的横截面上，仍然保留铸造结晶的形态，边缘组织细小，在丝径的心部为等轴晶及低熔点偏析区（图7）。低熔点偏析区在心部呈线状分布，长度约4 mm。在裂纹扩展至弹簧心部时，易产生轴向裂纹，对弹簧的疲劳裂纹扩展有较大影响。

图6 断口横截面Fig.6 Cross section of fracture

图7 连铸组织形貌Fig.7 Microstructure of continuous casting

1.6 表面喷丸检测

对断裂弹簧切样，在光学显微镜下观测采用稀盐酸清除了表面磷化膜的弹簧，可见喷丸质量较差，表面喷丸不均匀，许多位置存在粗糙表面，簧丝表面仅仅部分为喷丸凹坑所覆盖，凹痕处没有喷丸（图8）。按照N90/010（Purchase specification，Man B&W Diesel Ltd.）要求，喷丸应覆盖簧丝整个表面。

图8 喷丸表面形貌Fig.8 Shot peening surface morphology

2 分析与讨论

2.1 表面缺陷对应力的影响

凹痕（应力集中）对疲劳寿命有很大影响，可用有效应力集中系数Kτ来表示[10]：

式中：τ-1为光滑试件扭转时(无应力集中)的对称疲劳极限，τ-1K为有应力集中试件在相同情况下的对称疲劳极限。Kτ=1 时无应力集中，当Kτ大于1 时有应力集中。

已知Kτ和ατ（理论应力集中系数）的关系，可以用来计算Kτ。为了用ατ计算Kτ，引入材料对应力集中的敏感系数qτ，其公式为[10]：

此外，绝对尺寸、材料表面加工系数、材料表面强化系数等因素也影响弹簧的疲劳寿命。

各因素的综合影响系数Kτd为[10]：

式中：ετ为绝对尺寸系数，βτ为表面加工系数，βq为表面强化系数。

无划痕弹簧的应力集中系数Kτ=1，有划痕弹簧的应力集中系数Kτ=1.42[11]。

弹簧疲劳寿命的估算表明，在规定的试验载荷下，有凹痕在弹簧最高应力位置从而造成应力集中，增加12.7%的等效对称循环应力，疲劳寿命降低74%，不能满足使用要求。断裂弹簧表面存在多处凹痕，且该弹簧属于螺旋压缩弹簧，根据螺旋弹簧受载时的应力及应变特点，最大应力产生在弹簧丝截面内侧点，即断口的源区位置点[12]。

2.2 材质影响分析

综合上述分析可知，弹簧的断裂性质属于疲劳断裂。弹簧钢材料塑性较低，外表面为受力最大位置，疲劳性能对表面缺陷敏感[13]，弹簧工作在交变载荷和高频振动的环境中，要求具有高强度、高抗疲劳性能、高韧性、良好的抗应力松弛性能、高屈强比和良好的表面质量等。从受力分析可知，当弹簧工作时，其表面承受的应力最大，大部分损伤也是从弹簧材料的表面开始的，但该3 个断裂弹簧表面喷丸质量都很差，不足以提高弹簧表面压应力，延长弹簧寿命；YB/T 5105—1993、ASTM A401/A401M—1998 要求，钢丝表面不得有肉眼可见的裂纹、折叠，对于丝径大于6.0 mm，缺陷的深度小于钢丝直径的7%（约0.049 7 mm），最大深度不得超过0.06 mm。断裂弹簧表面存在凹痕，这些凹痕是在弹簧丝制备、拉拔、卷制过程中形成的。凹痕的尺寸较大，最大深度为0.22 mm，远远大于标准中规定的尺寸，造成较大的应力集中，在弹簧反复运动下成为裂纹源，在应力作用下萌生裂纹，不断扩展，并且弹簧材料为连铸工艺制造，存在明显的偏析，同时具有明显的纤维结构，疲劳裂纹扩展到簧丝轴心时，裂纹扩展发生偏转到沿簧丝轴心面，纤维结构的方向性导致裂纹扩展速率迅速增加，致使弹簧发生断裂，最后导致弹簧的早期疲劳失效。