60Si2Mn钢弹簧断裂原因

2022-08-04宫高丽

理化检验(物理分册) 2022年7期

宫高丽

(成都市海瑞产品质量技术检测有限公司, 成都 610500)

单元制动缸是决定列车运行安全的重要部件，在其组装完成或定期使用后必须进行测试，以确保其状态良好。某单元制动缸在定期检修测试过程中，发现其缓解量不够，经拆解发现其中的缓解弹簧断裂。弹簧材料为60Si2Mn钢，弹簧自由高度为(165±3) mm,弹簧中径为90.5 mm，钢丝直径为6.5 mm，有效圈数n=5，弹簧是返修弹簧，为防止弹簧使用过程中发生锈蚀，在返修过程中对其进行了电镀锌防锈处理(镀层厚度要求为7～10 mm)，弹簧原始表面防锈工艺为发黑处理。为查明弹簧断裂原因，笔者进行了一系列理化检验与分析，以防止类似事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对该单元制动缸的断裂弹簧进行宏观观察，其宏观形貌如图1所示，发现断面均呈不规则状。经拆卸后发现该缓解弹簧已断裂成了3部分。

图1 单元制动缸断裂缓解弹簧宏观形貌

1.2 化学成分分析

按照GB/T 20123—2006 《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法)》和GB/T 20125—2006 《低合金钢多元素含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法》的要求在断裂弹簧上取样，采用CS-200型红外碳硫仪和ICPS-7510型电感耦合等离子发射光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示，可见弹簧的化学成分符合GB/T 1222—2016 《弹簧钢》中对60Si2Mn钢的要求。

表1 断裂弹簧化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

将断裂弹簧断口经制样、抛光、侵蚀后,采用DMM-480C型倒置式光学显微镜，按照GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》对其进行分析观察，试样的显微组织形貌如图2所示。由图2可知：弹簧基体组织为均匀回火屈氏体，符合技术要求，试样存在轻微的脱碳现象。脱碳深度检验结果如表2所示(表中D为弹簧直径)。由表2可知：弹簧的总脱碳深度符合技术要求。

图2 断裂弹簧显微组织形貌

表2 断裂弹簧脱碳深度检验结果 mm

1.4 硬度测试

按照GB/T 4340.1—2009 《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》的试验方法,采用VH-5LA型维氏硬度计测试弹簧的硬度，测试结果如表3所示。由表3可见弹簧的次表面层硬度已超出技术要求的上限，心部硬度测试结果也处于技术要求的上限。

表3 断裂弹簧的硬度测试结果 HRC

1.5 扫描电镜分析

用扫描电镜(SEM)对弹簧断口形貌进行观察，结果如图3所示。从图3可以看出：断口处未观察到孔洞、夹杂等冶金缺陷；低倍下可见断口无旧断口特征，断口处存在较平整的区域A、明显放射状条纹(或称撕裂棱)的扩展区域B和C，以及最后断裂剪切特征的区域D；A区为断裂起始区，该区域呈椭圆型分布，断面平整，其边缘存在明显的放射状应力台阶，微观形貌为准解理；B区和C区为断裂扩展区，断口呈现韧性花样，沿由韧窝构成的晶界面扩展，且存在细小的、发育不完整的韧窝，断口存在明显放射状应力台阶，微观上为准解理断裂；D区为最后断裂区，沿着扩展区撕裂棱的裂纹，随着应力的增加，裂纹相互贯通形成一个贯穿的剪切面，且断口边缘呈现倾斜断面，微观上为剪切断裂。

图3 弹簧断口SEM形貌

2 综合分析

上述理化检验结果表明：弹簧的化学成分符合GB/T 1222—2016对60Si2Mn钢的要求；弹簧的次表面层硬度已超出技术要求的上限(48.0 HRC),心部硬度也处于技术要求的上限；弹簧基体显微组织为均匀回火屈氏体；弹簧表面存在轻微的脱碳现象；SEM观察到断口存在平整的断裂起始区，断裂起始区的微观形貌以准解理为主，部分存在微裂纹特征，在断裂起始区边缘呈现有明显的放射状应力台阶；此外，断口还存在明显的快速扩展区和最后断裂的剪切区；弹簧表面不存在凹陷、孔洞或夹杂物等冶金缺陷。

电镀锌工艺在除油、酸蚀、镀锌工序中，均易发生基体或镀层渗氢，会引起镀层鼓泡和脱皮，甚至产生氢脆并导致弹簧断裂。在检修过程中对该单元制动缸弹簧进行了返修处理，返修过程中采用电镀锌防锈处理，弹簧检修前原始表面防锈工艺为发黑处理且运行正常，由此可见检修前是没有氢脆现象的。经确认，该弹簧经电镀锌处理后未进行去氢处理就投入使用，当其硬度过高时，就会产生氢脆现象，导致弹簧发生早期断裂[1-2]。

综上所述：该弹簧在测试加载前并不存在裂纹源，加载后由于应力与氢的交互作用逐渐形成平整的断裂起始区(或称裂纹源区)，最终导致其发生脆性断裂[3-6]。