锁止弹簧断裂原因分析

2023-01-03李明李金红刘月李辉王唯恺

金属加工(热加工) 2022年12期

李明，李金红，刘月，李辉，王唯恺

锦州捷通铁路机械股份有限公司辽宁锦州 121116

1 序言

某厂生产的新产品锁止弹簧材质为304L不锈钢，其直径5mm，原始长度120mm，属异形弹簧。弹簧生产工艺：钢液冶炼→热轧→退火→酸洗钝化→冷拔→折弯→回火（200℃去应力）。生产的该批次弹簧在进行开合疲劳试验时发生早期断裂，其断裂位置如图1所示。为查找断裂原因，提出改进措施，本文对断裂弹簧进行了理化检验与分析。

图1 弹簧断裂位置

2 试验方法

采用目视及Stemi508体视显微镜对弹簧断口进行宏观观察。断口经超声波酒精溶液清洗后置于Sigma300型扫描电镜中进行微观观察，并用X-maxn型X射线能谱仪对断口表面附着物进行微区成分能谱分析。将弹簧试样冷镶嵌并磨抛后检验夹杂物含量，采用王水溶液浸蚀，观察弹簧钢丝纵向和横向金相组织。采用 plasma2000型ICP发射光谱仪和CS-800型碳硫分析仪对弹簧进行化学成分检测。用610RS型洛氏硬度计检测弹簧表面至心部的硬度。

3 试验过程和结果

3.1 宏观分析

弹簧断口位于折弯区的中间位置，钢丝表面发黄、光泽暗淡、不光滑。断裂面与钢丝轴线垂直，断面凹凸不平，断口附近无缩颈现象，呈宏观脆性断裂，如图2a所示。在体视显微镜下观察弹簧断口，明显分5个区域，即裂纹源区A、裂纹扩展区B、瞬断区C、第二裂纹源区D、第二裂纹源疲劳扩展区E，如图2b所示。裂纹源区A存在多个疲劳台阶，收敛于折弯区的外表面并向心部呈放射状扩展。裂纹扩展区B面积较大，表面相对平坦，约占整个断面的60%。在A区的对称面存在第二个裂纹源区D，D区裂纹起源于折弯区的内表面，同样存在多个疲劳台阶。E区为第二裂纹源区D的疲劳扩展区，扩展范围较小，表面较平坦。B区扩展面积远大于E区，说明裂纹源区A（折弯区外表面）受到的弯曲应力大。B区与E区的交汇处存在相遇台阶，在此处弹簧发生断裂，形成瞬断区C。C区面积较小，约占整个断面的5%，从循环周次角度来讲属高周低应力疲劳断裂。从以上分析可知，疲劳裂纹起源于锁止弹簧折弯区内外表面且为多源，属典型的双向弯曲疲劳断裂。

图2 弹簧断口宏观形貌

3.2 微观分析

A区疲劳台阶起源于弹簧折弯区外侧表面且有多个疲劳源，疲劳台阶放射状扩展形貌清晰可见，断口表面黏附有黑色胶状物，如图3a所示；D区微观形貌与A区类似，裂纹起源于弹簧折弯区内侧表面且为多源，同样黏附有黑色胶状物，如图3b所示；B区可见细密的疲劳辉纹及二次裂纹，如图3c所示；C区微观形貌为韧窝，如图3d所示；从弹簧侧表面可观察到大量沿钢丝轴线平行分布的线状缺陷及大小不等的凹坑，且存在多条径向分布的疲劳裂纹，如图3e所示；侧表面疲劳裂纹的拐角处存在凹坑，说明裂纹起源于此，在断口表面形成疲劳台阶，并呈多源特征。裂纹缝隙内同样含有黑色胶状物，如图3f所示。

图3 弹簧断口及表面微观形貌

对弹簧断口黑色胶状附着物进行能谱分析，分析位置及谱线如图4所示，其检测结果见表1。

表1 胶状附着物能谱分析结果（质量分数） (%)

图4 能谱分析位置及谱线图

3.3 金相分析

依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中A法评定，弹簧钢丝夹杂物级别为D0.5，说明钢丝原材料洁净度良好。腐蚀态下观察弹簧钢丝纵向金相组织为拉长状的形变诱导马氏体，如图5a所示。横向金相组织中晶粒细小，可明显观察到形变马氏体组织，如图5b所示。

图5 弹簧钢丝金相组织

304L不锈钢丝母材主要由带有孪晶和滑移带的奥氏体构成，当其经过多道次拉拔后，纵截面奥氏体晶粒被拉长，横截面奥氏体组织内滑移带密度不断增加，随着拉拔道次的增加，发生形变诱导马氏体相变，形成锁止弹簧形变马氏体组织[1]。

3.4 化学成分检测

在弹簧断口附近取样检测化学成分，结果符合ASTM A959—2016《锻制不锈钢用协调标准级成分规范的标准指南》对304L不锈钢的成分要求，检测结果见表2。

表2 断裂弹簧化学成分（质量分数） (%)

3.5 硬度检测

依据GB/T 230.1—2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》对弹簧横截面表面至心部进行洛氏硬度检测，结果表明弹簧硬度均匀，平均值为44HRC，满足锁止弹簧硬度40～45HRC的技术要求，检测结果见表3。

表3 弹簧洛氏硬度（HRC）

4 分析与讨论

锁止弹簧化学成分、夹杂物含量、硬度、金相组织均满足相关技术要求。宏观、微观形貌分析表明，弹簧在开合疲劳试验中的断裂性质为双向弯曲疲劳断裂。试验过程中弹簧折弯区受到的双向弯曲应力最大，因此弹簧在折弯区发生疲劳断裂。远离断口位置也受到一定的弯曲应力，这使得微观分析中在弹簧侧表面观察到较多的疲劳裂纹。侧表面存在大量沿钢丝拉拔方向分布的冷拔磨痕及大小不等的冷拔凹坑。疲劳裂纹起源于冷拔磨痕的凹坑处，在交变弯曲应力作用下造成应力集中，使裂纹萌生、扩展，最终导致锁止弹簧疲劳断裂。

金相分析中的形变诱导马氏体组织是钢丝经多道次拉拔后形成的，形变马氏体组织及拉拔加工硬化提高了弹簧钢丝的硬度和疲劳强度。能谱检测出弹簧断口黑色胶状物含有wC=71.88%、wO=17.13%、wCa=0.15%、wS=1.74%等，这是拉拔润滑剂的主要成分。钢丝在拉丝模内高温、高压条件下变形时，一部分润滑剂必将残留在钢丝冷拔磨痕及凹坑表面，再经后一道去应力回火，润滑剂因与空气中的氧发生反应而造成团聚、固化并形成多元复合物[2]。在开合疲劳试验过程中，多元复合物黏附于弹簧断口表面形成黑色胶状物。宏观分析中弹簧表面发黄、光泽暗淡，这是在200℃去应力回火后形成的氧化色。

弹簧钢丝由304L不锈钢热轧线材经多道次冷拔成形，在冷拔过程中钢丝与拉丝模构成摩擦副，将发生黏着磨损形成冷拔磨痕[3]。黏着磨损产生的磨屑进一步发生磨粒磨损，使磨痕处产生无规律分布的微小凹坑。由于磨痕和凹坑在多道次冷拔工艺中难以避免，因此应在保证弹簧钢丝冷拔表面质量的前提下在去应力回火后增加表面喷丸工艺。

金属材料的疲劳强度受材料的表面质量影响很大，表面喷丸工艺可消除冷拔过程中残留的冷拔磨痕和凹坑，同时表层发生加工硬化现象，形成一定厚度的硬化层。喷丸工艺可在钢丝表面引入一定深度的残余压应力层，进一步提高材料表面的抗疲劳性能[4]。200℃去应力回火可消除冷拔过程中形成的残余应力，有利于提高材料的疲劳强度，但其会使材料表面颜色发黄形成轻微氧化，采用喷丸可消除氧化带来的不利影响，因此在锁止弹簧生产中增加表面喷丸工艺，可有效提高弹簧的疲劳寿命。