楊金艷, 李 磊, 劉小嫻, 孫永放
(南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所(國(guó)家鋼絲繩產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心), 南通 226011)
拉簧是一種通用零件,作為兩個(gè)主要部件間的連接件,在主要部件能量傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生及恢復(fù)變形時(shí)將機(jī)械能或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡埽诠ぷ鬟^(guò)程中起到緩沖平衡、儲(chǔ)存能量、自動(dòng)控制、回位定位等作用[1-2]。拉簧不僅是一種能儲(chǔ)存能量的零件,也是重要的通用性基礎(chǔ)零件,應(yīng)用非常廣泛,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整機(jī)性能[3]。拉簧對(duì)生產(chǎn)工藝及熱處理技術(shù)要求較高,有關(guān)拉簧的失效分析研究很多[4-9]。某用于插秧機(jī)的拉簧,在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂,為找出該拉簧的斷裂原因,筆者對(duì)斷裂的拉簧進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析,以期類(lèi)似事故不再發(fā)生。
拉簧斷裂部位為頭部拉鉤應(yīng)力集中處,且斷口形貌為斜劈狀,如圖1所示。斷裂后的拉簧鍍鋅層已觀(guān)察不到淡黃色彩鋅顏色,圖1中未使用過(guò)的拉簧表面鍍鋅層呈淡黃色。
圖1 拉簧的宏觀(guān)形貌Fig.1 Macro morphology of the tension springs
采用高頻紅外碳硫分析儀、電感耦合等離子體光譜儀及分光光度計(jì)對(duì)斷裂拉簧進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1。拉簧材料為SWRS80A琴鋼絲,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JIS G 3502—2013《鋼琴用線(xiàn)材》。結(jié)果表明,拉簧的化學(xué)成分滿(mǎn)足JIS G 3502—2013的成分要求。
表1 拉簧的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the tension spring (mass fraction) %
對(duì)拉簧原材料鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2,可見(jiàn)拉簧原材料的性能滿(mǎn)足JIS G 3522—2014《鋼琴絲材》的技術(shù)要求。
表2 拉簧材料的性能Tab.2 Properties of the tension spring material
將斷口清洗、烘干后置于體視顯微鏡下觀(guān)察斷口形貌,如圖2所示??梢?jiàn)斷口呈斜劈狀,在頭部均有一個(gè)平臺(tái)。斷口局部放大形貌可見(jiàn)清晰的斷裂紋理,這屬于瞬間撕裂所致。
圖2 拉簧斷口宏觀(guān)形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the tension spring: a) overall morphology; b) locally amplified morphology
將斷口置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀(guān)察,如圖3所示。圖3a)為斷口整體形貌,斷口的頭部有一平臺(tái),將其放大觀(guān)察,可見(jiàn)該形貌屬于疲勞斷裂形貌。圖3b)為疲勞裂紋源處,可見(jiàn)組織細(xì)膩;圖3c)為裂紋擴(kuò)展區(qū),屬于準(zhǔn)解理斷裂;圖3d)為擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界處形貌,擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)區(qū)域均很窄;圖3e)為瞬斷區(qū),可見(jiàn)瞬斷區(qū)為韌窩狀形貌,與瞬斷區(qū)相交的擴(kuò)展區(qū)存在二次裂紋;圖3f)為平臺(tái)下方撕裂狀形貌,為瞬間撕裂而斷所致。
圖3 拉簧斷口微觀(guān)形貌Fig.3 Micro morphology of fracture of the tension spring: a) overall morphology ;b)fatigue source region; c) propagation region; d) junction of propagation region and transient fracture region; e) transient fracture region; f) transient fracture tear under step
對(duì)斷口內(nèi)部進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)鋼絲斷口表面有許多非基體元素,某些元素屬于腐蝕產(chǎn)物元素,能譜分析位置如圖4所示,具體成分見(jiàn)表3。
圖4 能譜分析位置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of energy spectrum analysis position
表3 拉簧斷口處的能譜分析結(jié)果Tab.3 Energy spectrum analysis results of fracture of the tension spring %
經(jīng)截取、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕,制備出拉簧鋼絲的橫、縱金相試樣,在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察分析,經(jīng)測(cè)量鍍層厚度為6~7 μm,如圖5a)所示;鋼絲橫向顯微組織正常,為索氏體+少量先共析相,如圖5b)所示;鋼絲縱向顯微組織為冷拉拔纖維狀組織,如圖5c)所示。拉簧鋼絲的顯微組織符合冷拉拔鋼絲的組織特點(diǎn)。
圖5 拉簧鋼絲的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the tension spring steel wire: a) coating morphology;b) cross section; c) longitudinal section
對(duì)拉簧鋼絲縱截面進(jìn)行非金屬夾雜物分析,結(jié)果表明夾雜物含量不多,基本上未見(jiàn)有呈鏈狀、球狀等非延展性?shī)A雜物。只有少量延展性好的A類(lèi)及C類(lèi)夾雜物,但均在技術(shù)要求的范圍內(nèi)。依據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定夾雜物等級(jí),結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 非金屬夾雜物評(píng)定等級(jí)Tab.4 Evaluation grade of non-metallic inclusions 級(jí)
拉簧原材料的化學(xué)成分、性能、非金屬夾雜物、顯微組織等滿(mǎn)足拉簧材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,鋼絲表面無(wú)缺陷存在。拉簧鋼絲斷口形貌為帶平臺(tái)的斜劈狀斷口,斷裂裂紋起源于平臺(tái)處,可見(jiàn)疲勞源、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū),屬于疲勞斷裂。斷裂處位于拉簧拉鉤的彎曲處,疲勞源起源于拉鉤的彎曲處內(nèi)側(cè)面,拉簧服役時(shí),拉鉤的內(nèi)側(cè)面會(huì)同時(shí)受到拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及摩擦力,而且最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼絲彎曲處內(nèi)側(cè)面,該面亦是斷口平臺(tái)側(cè)[10],應(yīng)力集中部位成為疲勞源[11-12]。在掃描電鏡下觀(guān)察,斷口平臺(tái)為疲勞斷裂的影響區(qū),斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)太窄,即使整個(gè)平臺(tái)均為疲勞擴(kuò)展區(qū),占整個(gè)鋼絲斷面也不足1/10,剩余部分為瞬斷區(qū)撕裂斷裂,雖然拉簧鋼絲顯微組織滿(mǎn)足其工藝設(shè)計(jì)的要求,但疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)太窄,表明鋼絲冷拉拔纖維狀組織抵抗疲勞的能力太弱,導(dǎo)致拉簧往復(fù)循環(huán)近百次,就發(fā)生了疲勞斷裂,建議提高拉簧鋼絲的抗疲勞性能。
綜合以上分析并結(jié)合以往的文獻(xiàn)報(bào)道可知,拉簧材料最好選用65Mn類(lèi)彈簧鋼,且工藝應(yīng)加以改進(jìn),鋼絲在冷拉拔后應(yīng)進(jìn)行淬火+中溫回火處理,使鋼絲組織為回火屈氏體。這種組織具有較高的彈性極限和韌性,適合這種反復(fù)拉伸和壓縮工作形式,相比冷拉拔纖維狀硬化組織,其能大幅增加抗疲勞性能,延長(zhǎng)使用壽命。
能譜分析斷口處微區(qū)的化學(xué)成分結(jié)果表明拉簧的使用環(huán)境對(duì)拉簧有一定的影響,斷口微區(qū)存在某些腐蝕產(chǎn)物元素。拉簧鍍層厚度為6~7 μm,需加強(qiáng)鍍層厚度,防止腐蝕發(fā)生。雖然,該次拉簧斷裂的主要原因是疲勞,但腐蝕對(duì)其也有一定的影響。
拉簧斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。熱處理工藝不當(dāng)是拉簧發(fā)生疲勞斷裂的根本原因,冷拉后直接冷卷成型的拉簧組織為纖維狀組織,該組織抵抗疲勞能力太弱,導(dǎo)致拉簧往復(fù)循環(huán)近百次,就發(fā)生了疲勞斷裂。
建議加厚拉簧鍍層厚度,采用熱鍍鋅生產(chǎn)工藝,熱鍍鋅存在鋅鐵合金層,可以增加抗腐蝕性能;提高抗疲勞性能,改用彈簧鋼絲代替SWRS80鋼琴鋼絲并采用淬火+中溫回火處理使其組織為回火屈氏體。