扭力弹簧开裂及断裂分析

李佳囡

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西西安 710089）

飞机在打开口盖后发现扭力弹簧断裂。该弹簧所用材料为70E 钢，参考标准为GB4358—1995《碳素弹簧钢丝》E 版。弹簧的加工过程为：钢丝—钳工绕簧—回火（260～300 ℃，20 min）—钳工加工端头—回火（240～260 ℃，20 min）—镀Cd—除氢（200 ℃、24 h）—移交、放置—装配。为查明扭力弹簧产生断裂原因，特对断裂的5个弹簧进行了理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 外观观察

对断裂的弹簧外观形貌进行观察，断裂弹簧的断面比较粗糙，高差不大。对断裂弹簧的内外圈进行检查，断裂弹簧内圈有较多的裂纹，裂纹沿周向大致垂直于钢丝的轴线方向，见图1。

图1 弹簧内圈开裂形貌

1.2 宏观观察

将断口和内圈裂纹人工打开断口在体视放大镜下观察，断裂的弹簧断面高差不大，颜色为黑灰色，略显浅黄色，另外断面上还有漆污染。见图2。

图2 断裂断口形貌

弹簧内圈裂纹人工打开断口，断面高差很大，裂纹断面为大致垂直于钢丝长度方向的平面，人工打开部分大致平行于钢丝长度方向，为斜劈断口，裂纹断面的颜色有的为黑灰色，有的为暗黄或黄色。见图3。

图3 人工裂纹打开断口形貌

1.3 微观观察

（1）断裂弹簧。断裂弹簧的断面磨损均比较严重，中间未磨损区域断裂特征包括3种形貌，即沿钢丝拉拔变形方向开裂的特征和解理、准解理和韧窝，见图4。

图4 微观断裂形貌

（2）人工打开裂纹断口。裂纹断面高差大，为斜劈断面，其微观形貌为沿钢丝拉拔变形方向开裂的特征和解理（准解理）和韧窝，见图5。

图5 裂纹断口形貌

1.4 氢含量测试

对钢丝氢含量进行测试，钢丝表面处理分别为用细砂纸打磨处理、酸洗的方法处理，砂纸打磨处理钢丝的氢含量为1 ppm，细砂纸打磨处理后再进一步用酸洗处理钢丝的氢含量为2 ppm。

对钢丝表面直接用酸洗方法处理，氢含量测试结果为10 ppm，酸洗会使氢含量测试结果增大。

对开裂弹簧用稀盐酸除去镀Cd 层、及带镀Cd层开裂弹簧进行氢含量测试，测试结果见表1。去除Cd 层弹簧氢含量测试结果为6 ppm，带Cd 层弹簧氢含量测试结果为18 ppm。对氢含量测试要求表面有一定的光洁度，如果表面较粗糙测试结果会偏高。带Cd 层弹簧表面较粗糙，氢含量测试结果较高。用稀盐酸处理表面过程中使光洁度提高。经验表明，在稀盐酸处理过程中会引入少量的氢元素，因此，去除Cd 层弹簧氢含量测试结果可能也会偏高。

综合上述分析结果推测，钢丝的氢含量很可能小于2 ppm，弹簧氢含量很可能小于6 ppm。但测试结果可以反映该弹簧本身的氢含量较高。

1.5 硬度检测

在断裂弹簧的端头断口附近取样，制取金相试样，测试维氏（HV）硬度，并换算成HRC，结果见表1。将硬度平均值换算成抗拉强度，断裂弹簧的抗拉强度为1875 MPa，GB4358—1995《碳素弹簧钢丝》中对该材料的抗拉强度要求为1 920～2 270 MPa，断裂弹簧测试结果相对标准要求偏低。

表1 硬度测试结果

1.6 金相观察

在断裂弹簧端头断口附近取样，制取金相试样，对其金相组织进行观察，组织为珠光体和少量铁素体，组织未见异常，见图6。

图6 弹簧的金相组织

对镀Cd 层的厚度进行测量，厚度为8～10 μm，镀层厚度符合GB4358—1995《碳素弹簧钢丝》标准要求。

2 分析与讨论

通过对5个断裂弹簧的断口观察分析可知，断口边缘磨损均较严重，中间未磨损区域断裂特征为：沿材料变形组织开裂特征、解理（或准解理）和韧窝特征，弹簧的内圈均有较多的裂纹，裂纹沿周向大致垂直于钢丝的轴线方向，将多个裂纹打开观察分析，所有裂纹的开裂形貌及断裂特征均一致。裂纹断面在体视放大镜下观察有的为灰黑色，有的为浅黄色或暗黄色，该种颜色变化不是漆的颜色，而是材料本生氧化的结果，说明有的裂纹在除氢之前已经形成，经历了除氢的温度而氧化形成的颜色。

通过对钢丝和弹簧不同表面处理氢含量测试结果推测，钢丝的氢含量很可能小于2 ppm，弹簧氢含量很可能小于6 ppm。但测试结果可以反映该弹簧本身的氢含量较高。根据弹簧的加工过程、开裂及断裂过程、裂纹及断口的断裂特征，并结合弹簧所用材料为高强度钢，氢含量测试结果也较高，可以判断弹簧裂纹的开裂性质为氢脆[1，2]。

材料的组织正常；开裂弹簧的强度偏低，但不是导致氢脆的原因；镀Cd 层符合要求。

严格讲，氢脆不是一种独立的断裂机制，氢的加入只是有助于某种断裂机制，如解理断裂或沿晶断裂的作用。其断裂方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，或是两者的混合。导致该弹簧氢脆开裂和断裂的力学因素有：弹簧加工过程中导致的残余应力、氢引起的张应力以及装配应力[3，4]。观察分析可见，弹簧的开裂主要在内圈，从残余应力的角度讲，外圈应该更大，而内圈由于曲率较大，是氢更容易聚集的部位，氢含量的测试结果较高，因此，导致弹簧开裂的主要因素应是氢引起的张应力的作用。

断裂弹簧，其断裂过程有两种可能：①在有小的氢脆开裂裂纹的基础上叠加装配应力导致开裂；②虽然没有小裂纹，但在氢张应力、残余应力和装配应力作用下断裂，即使这种断裂过程，其失效模式与开裂弹簧没有本质区别。

建议对电镀工艺、电镀之后到除氢的时间，以及除氢的工艺进行核查并严格控制；对同批次钢丝生产的其他类型的弹簧进行含氢量的测试。建议按照GB4358—1995《碳素弹簧钢丝》标准要求，镀Cd 之后立即除氢。

3 结论与建议

根据以上分析，可得出扭力弹簧的开裂和断裂性质为氢脆。在日常生产中，应对电镀工艺严格控制，也可通过对不同镀cd 溶液的分析，调整镀cd 工艺。

建议通过对除氢工艺的改进，来避免氢渗入零件。可通过以下方面完善工艺改进：①除氢前保持镀层表面清洁。②按照GB4358—1995《碳素弹簧钢丝》标准要求，镀Cd 后立即除氢。③除氢应保证时间连续，中间不可停止。④零件电镀后尽量不要返工。⑤适当延长除氢时间。