彈簧斷口裂紋失效分析

盤(pán)形彈簧，材料為50CrV，繞制成型后熱處理，表面為磷化處理。在安裝時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在折彎角處，折彎角處斷掉一截。

14.1.1  試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

取一件完好件和斷裂件一起進(jìn)行分析，盤(pán)簧完好件如圖14-1；斷裂件如圖14-2；斷裂位置為圖中的圓圈處。

圖14-1  完好彈簧形貌                圖14-2  斷裂彈簧形貌

掃描電鏡斷口觀(guān)察，斷面凹凸不平，顏色呈深灰色，中心部位可見(jiàn)少量放射花樣。

彈簧斷口的低倍形貌，見(jiàn)圖14-3，圖中的A區(qū)為斷裂起始區(qū)，B區(qū)為擴(kuò)展區(qū)，C區(qū)為最終斷裂區(qū)。

圖14-3    斷口宏觀(guān)形貌                

在掃描電鏡下觀(guān)察斷口微觀(guān)形貌，起始區(qū)（A區(qū)）的微觀(guān)形貌為主要以韌窩形貌為主，發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜（圖中圓圈處），見(jiàn)圖14-4。

擴(kuò)展區(qū)（B區(qū)）的微觀(guān)形貌以解理為主，伴有少量韌窩形貌，有明顯的非金屬夾雜（圖中圓圈處），見(jiàn)圖14-5、圖14-6。

最后斷裂區(qū)（C區(qū)）的微觀(guān)形貌為韌窩形貌，見(jiàn)圖14-7。

                   圖14-4   A區(qū)微觀(guān)形貌

圖14-5   B區(qū)微觀(guān)形貌                        圖14-6  B區(qū)微觀(guān)放大形貌

圖14-7   C區(qū)微觀(guān)形貌

金相檢查：

沿?cái)嗫诳v向截取金相試樣做流線(xiàn)檢查，流線(xiàn)顯示正常，但斷裂處直徑明顯變小，有塑性變形，反映了彎曲成形局部變形大，見(jiàn)圖14-8。

圖14-8   彈簧金屬流線(xiàn)

沿?cái)嗫诳v向截取金相試樣，檢查結(jié)果，組織為細(xì)珠光體+鐵素體，并有變形組織特征，見(jiàn)圖14-9。

圖14-9   彈簧顯微組織

對(duì)盤(pán)簧進(jìn)行化學(xué)成分檢查，成分檢查結(jié)果符合50CrV的成分要求。

對(duì)盤(pán)簧進(jìn)行硬度檢查，檢查結(jié)果:盤(pán)簧表面表層硬290～310HV0.3;心部硬度261～275HV10

14.1.2  分析與討論

盤(pán)簧的化學(xué)成分符合要求，但盤(pán)簧的金相組織、硬度不符合盤(pán)簧的技術(shù)要求。

這種盤(pán)簧加工工藝一般是采用球化退火的原材料，加工成形，然后淬火、回火，硬度在HRC43-46，回火組織為屈氏體組織。

該批盤(pán)簧在掃描電鏡下觀(guān)察斷口微觀(guān)形貌，主要以韌窩形貌為主，金相試樣檢查結(jié)果，組織為細(xì)珠光體+鐵素體，組織不符合盤(pán)簧加工工藝要求，組織檢查發(fā)現(xiàn)盤(pán)簧還保留了變形組織特征，以上檢查結(jié)果說(shuō)明該故障盤(pán)簧沒(méi)有進(jìn)行淬火處理。可能直接用冷拉絲材繞制成形后沒(méi)有淬火，熱處理時(shí)只進(jìn)行了定型回火（進(jìn)行定型回火后保證了每個(gè)盤(pán)簧的尺寸），所以，盤(pán)簧的金相組織不是屈氏體組織，而是原材料的珠光體+鐵素體，同時(shí)保留了原材料的冷拉組織特征。

另外，掃描電鏡下觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，盤(pán)簧有非金屬夾雜；金相試樣檢查，流線(xiàn)顯示正常，但斷裂處直徑明顯變小，有塑性變形，反映了彎曲成形局部變形大，該處存在較大內(nèi)應(yīng)力，因?yàn)樽冃瘟看螅苯幼冃螘?huì)造成過(guò)大局部應(yīng)力、生成棱邊微裂紋。

斷口分析的結(jié)果，表明彈簧的斷裂起始位置微觀(guān)形貌以韌窩形貌為主，整個(gè)斷口表現(xiàn)為過(guò)載或彈簧強(qiáng)度不夠引起的韌性斷裂。

彈簧彎曲時(shí)，彈簧彎曲外表面受的拉應(yīng)力最大，而彎曲外表面的拉應(yīng)力大小和彎曲半徑、彎曲角度有關(guān)，彎曲半徑越小，彎曲角度越大，則彎曲外表面所受的拉應(yīng)力越大。該彈簧彎曲斷裂處直徑明顯變小，說(shuō)明彎曲變形過(guò)大。彈簧彎曲變形大，造成彎曲處的直徑明顯變小，使該處存在較大內(nèi)應(yīng)力。彈簧成型后要進(jìn)行淬火、回火，消除內(nèi)應(yīng)力，使硬度和組織滿(mǎn)足工藝技術(shù)要求。如果熱處理后彈簧進(jìn)行了鉗修，要及時(shí)去應(yīng)力回火，消除變形應(yīng)力。

該批彈簧的制造工藝存在問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)行熱處理的淬火處理，彈簧的強(qiáng)度不夠，彎曲處的組織應(yīng)力，變形應(yīng)力沒(méi)有消除，存在較大的殘余應(yīng)力；另外，該批彈簧還存在較明顯的非金屬夾雜，非金屬夾雜物的存在，也降低了彈簧的綜合性能。該批彈簧不能滿(mǎn)足安裝要求，在安裝時(shí)，由于安裝應(yīng)力超過(guò)彈簧的強(qiáng)度極限，在應(yīng)力集中的彎曲處彈簧過(guò)載斷裂。

14.4.1 結(jié)論與啟示

（1）該批彈簧的制造存在工藝問(wèn)題，彈簧斷裂的主要原因是成型后沒(méi)有進(jìn)行淬火處理，造成彈簧的強(qiáng)度低，不能滿(mǎn)足安裝要求，在安裝時(shí)彈簧過(guò)載斷裂。

（2）造成彈簧斷裂的原因還有很多，除彈簧的強(qiáng)度低外，彈簧還存在較明顯的非金屬夾雜物，彎曲處存在較大的殘余應(yīng)力，彈簧的綜合性能低等，有安裝應(yīng)力作用下，在彎曲處的應(yīng)力集中位置過(guò)載斷裂。

（3）該類(lèi)彈簧應(yīng)進(jìn)行淬火、回火處理，對(duì)制造工藝進(jìn)行檢查，熱處理工藝是否漏了淬火工藝？熱處理操作過(guò)程中漏了淬火工序？

（4）在今后的彈簧加工過(guò)程中，對(duì)原材料進(jìn)行檢查；成型后進(jìn)行淬火、回火處理，對(duì)彎曲處鉗修后要進(jìn)行去應(yīng)力回火；增加硬度和組織檢查。