洗衣机卡箍弹簧断裂的失效分析及预防措施

李德念 黄建威

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

洗衣机为现代家庭必不可少的家电之一，文章结合某款洗衣机在生产过程中，出现大比例卡箍弹簧断裂异常，通过采用断面SEM 形貌分析、金相检验、材料成分检验、受力分析等检验手段，进一步论证缺口效应对金属材料的影响，最终针对性的预防改进措施。

1 卡箍弹簧断失效分析

1.1 宏观断口

宏观断口表面十分平整，断面垂直于弹簧轴向（主正应力方向），每个断面都存在一个缺口，部分有2 个缺口（共性问题），断口附近无明显颈缩现象，断面直径与正常线径基本一致，裂纹由切口位置向内延伸扩展，断口表面颜色灰暗无光泽，如图1 所示。

图1 低倍宏观断口形貌

图2（b）、（c）裂纹呈人字形，人字形尖端指向弹簧表面切口处，扩展到中径位置开始出现旋涡状纹路，漩涡纹路外圈呈现剪切唇形貌，图2（b）的漩涡纹路较平整，剪切唇位置较宽，图2 （c）的漩涡纹路呈现微台阶，剪切唇位置较窄；断裂模式为韧性断裂。

图2 高倍宏观断口形貌

1.2 断口微观分析

采用扫描电子显微镜对断口进行微观观察；

断面SEM 形貌分析：断面微观主要形貌特征为滑移面和韧窝，在拉长的韧窝壁上可见平坦滑移面，韧窝有两种形态，等轴韧窝和剪切状拉长韧窝，无解理和准解理特征，详见图3。

借助电镜对韧窝处和非韧窝处进行元素含量对比，发现韧窝处非金属元素C、O、Si 含量比较高，详见图4与表1 ，初步推断断裂情况与非金属夹杂物有关。

表1 电镜测试韧窝及平坦区域处元素相对占比

图4 电镜测试韧窝及平坦区域处元素相对占比位置图

1.3 非金属夹杂物观察

根据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》[1]，样品经研磨、抛光在低倍100x 的金相显微下观察[2]，抛光截面的非金属夹杂物细小分散，结合电镜测试结果，判断非金属夹杂物为GB/T 10561 中的C（硅酸盐）类和D（球状氧化物）类夹杂，等级达到1 级以上，详见图5。

图5 非金属夹杂物情况

受物料限制不能按照国标中要求的方式取样，但根据国标中的判定标准及实际检测结果，弹簧非金属夹杂物无超差现象，非造成断裂主要原因。

1.4 材料成分测试分析

图纸要求弹簧材料牌号为SUS304，根据国标GB 1220-1992 不锈钢棒[3]，采用原子发射光谱法对其材料成分进行测试分析，材料成分符合国标要求，实测数据如表2。

表2 弹簧材料成分

表3 弹簧弹性系数验证

1.5 金相分析

根据GBT4334-2020 金属和合金的腐蚀奥氏体及铁素体-奥氏体（双相）不锈钢晶间腐蚀试验方法[4]，对断裂样品进行分割制样、研磨、抛光，然后将其放入10 %草酸溶液中，采用电解腐蚀法对其进行腐蚀，在金相显微镜观察其显像组织如图6 所示；

图6 弹簧纵截面金相组织

图7 弹簧受力分析图

组织说明：镶样观察截面金相组织，观察到的弹簧微观组织主要为：球粒状珠光体、细小的铁素体和线条状的渗碳体[5]，组织分布均匀，无粗大相，确定弹簧的热处理工艺有球化退火和回火，符合一般扭转和拉伸弹簧的热处理工艺要求。

1.6 机械性能测试

弹簧原始长度为95±1 mm，正常工作长度为（170 ～175）mm，根据弹簧的弹性系数[6]（图纸给出K=0.8 N/mm）算出其正常工作最大受力为：F=KX=（0.8×81）=64.8 N。抽取弹簧采用拉力机施加200 N 的拉力，均未出现断裂现象。

经测试各项参数正常，能够满足实际使用要求，断裂情况与弹簧机械性能关系不大。

1.7 结构受力分析

从图2 中观察到的断口宏观形貌多为旋涡状，且有大面积的拉长韧窝，判断弹簧断裂时受到的主要为静扭转应力。将弹簧断面分解为微元，两侧部位视为刚性体，进行受力分析，分解后的弹簧法向面受法向力Fn=Fsinα、切向力Fq=Fcosα、扭矩T=FRcosα、弯矩M=FRsinα（具体见图2-8），拉簧的螺旋角选型在（6 ～9）°，故sinα ≈0，cosα ≈1，弹簧截面主要承受的为扭矩T和切向力Fq。实际安装过程中，弹簧受到的轴向力与轴线不重合，其一端被固定，另一端受到垂直纸面向内和与卡箍相切的拉力，这种受力方式会加大扭矩和切向力数值，加剧断裂。

分析得知断裂与装配时受力方式不合理有关。

1.8 卡箍弹簧装配工艺

弹簧加工成型后，需要采用小型冲压设备利用工装将弹簧与卡箍线连接在一起，如图8 所示，经对装配工艺排查，发现弹簧断面上的缺口，为在压装过程中工装钩子离弹簧太近，所造成的机械损伤。

图8 弹簧、卡箍装配工艺图

众所周知，缺口的存在影响金属材料的弹性变形、塑性变形和断裂过程, 缺口效应造成应力应变集中[7];裂纹一般会起始于材料的应力集中部位，如缺口、夹杂物等缺陷，在交变载荷的作用下，缺口处应力处应力集中的程度越高，裂纹出现的就越早，在其它条件不变的情况下，断裂得就越快[8]。

1.9 小结

综上分析判定卡箍弹簧断裂的原因为：卡箍弹簧在生产制造过程中存在切口，形成缺口效应，造成应力集中。而在使用过程中弹簧受到轴向拉力的同时，还受到扭转应力，扭转应力对材料表面缺口十分敏感，在双受力的作用下加剧裂纹的延展，导致弹簧出现断裂。

2 结论

在生产制造过程中造成的零件表面切口，易形成缺口效应，造成应力集中，在零件受到应力加载时，缺口处应力处易出现裂纹，在双受力的作用下加剧裂纹的延展，最终导致断裂。

因此：

1）在金属材料加工制造过程中，应注意避免其缺口的产生。

2）在无法避免时应注意控制缺口圆角半径，在切口深度较大时, 即径比 D/ d 较大时, 圆角半径特别小或特别大对轴的疲劳寿命影响都比较大, 都会引起轴疲劳寿命的锐减；特别在圆角半径＜ 0. 2 B 时, 圆角半径对轴疲劳寿命影响特别大[9]。