駱玉城, 岳 高,2, 田雙息, 林升垚

(1.桂林福達股份有限公司, 桂林 541199;2.桂林電子科技大學 機電工程學院, 桂林 541004)

彈簧作為一種通用機械零部件,在實際工業(yè)生產中占據著非常重要的地位。隨著技術更新和機械制造精密化的進一步發(fā)展,不僅要求彈簧能夠滿足越來越高的尺寸精度,同時對其強度和疲勞壽命提出了更高的要求。然而,因生產制造與使用不當?shù)仍?彈簧的失效現(xiàn)象時有發(fā)生[1-4]。

在對某型號離合器從動盤總成進行扭轉耐久試驗過程中,其減振彈簧發(fā)生斷裂。該減振彈簧的材料為SWOSC-V鋼,顯微組織為回火屈氏體,硬度為47～52 HRC。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該彈簧斷裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂彈簧的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:減振彈簧共有5圈,斷裂位置為第4圈,斷口兩端未見明顯的宏觀塑性變形,內圈小彈簧外側和減振彈簧內側均有一定的摩擦損傷;減振彈簧其他部位未見明顯異常。

圖1 斷裂彈簧的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂彈簧上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:該斷裂彈簧的化學成分滿足標準要求。

表1 斷裂彈簧的化學成分分析結果 %

1.3 硬度測試

在斷裂彈簧上取樣,對試樣進行硬度測試,結果如表2所示。由表2可知:該斷裂彈簧的硬度滿足標準要求。

表2 斷裂彈簧的硬度測試結果 HRC

1.4 金相檢驗

在斷裂彈簧斷口位置取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖2所示。由圖2可知:該斷裂彈簧的顯微組織為回火屈氏體,符合技術要求;其縱向組織呈流線狀,有輕微的成分偏析,可見少量硫化物非金屬夾雜物,依據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對該夾雜物進行評級,結果為A類細系0.5級、B類0級、C類0級、D類0級,未見明顯異常。

圖2 斷裂彈簧的顯微組織形貌

在彈簧表面取樣,用顯微鏡對試樣的拋光態(tài)形貌進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:彈簧表面未見明顯氧化脫碳,彈簧內側表面存在向內擴展的裂紋,裂紋深度約為0.27 mm,該裂紋整體呈表面大開口、尾部尖細的形貌特征,說明該裂紋起裂點位于彈簧表面;裂紋內部存在與基體材料有顯著區(qū)別的灰色物質,在裂紋尾部存在完全脫碳組織,該裂紋未見明顯的沿晶開裂特征。

圖3 彈簧表面的拋光態(tài)微觀形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)分析

在斷裂彈簧的斷口處取樣,對試樣進行低倍SEM分析,結果如圖4所示。由圖4可知:斷口表面存在裂紋源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū),斷口大部分為呈貝殼紋特征的擴展區(qū),說明該彈簧主要發(fā)生了疲勞斷裂;裂紋源位于彈簧內側表面,貝殼紋相對于裂紋源位置呈內凹狀,貝殼紋圓心未指向裂紋源,表明該彈簧有較大的應力集中;瞬斷區(qū)靠近彈簧外側表面,未至斷口外緣區(qū)域,面積較小,表明彈簧的斷裂性質為低應力作用下的疲勞斷裂[5]。

圖4 彈簧斷口的低倍SEM形貌

對試樣進行高倍SEM分析,結果如圖5所示。由圖5可知:斷口處有放射性條紋由裂紋源向外輻射,裂紋源區(qū)并無明顯的非金屬夾雜等缺陷;裂紋源附近圓柱表面有明顯的拋丸痕跡,還可見沿縱向分布的微裂紋,該微裂紋位于斷口裂紋源縱向延伸方向;裂紋擴展區(qū)中部有疲勞輝紋和二次裂紋,在瞬斷區(qū)前沿的擴展區(qū)處,二次裂紋深度和寬度均明顯增大;瞬斷區(qū)主要呈剪切韌窩形貌。

圖5 彈簧斷口的低倍SEM形貌

對試樣進行EDS分析,結果如圖6所示。由圖6可知:靠近彈簧表面的裂紋源區(qū)域氧元素含量較高,斷口內部的氧元素含量較低。

圖6 彈簧斷口的EDS分析結果

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知:該斷裂彈簧的硬度、化學成分、顯微組織和表面脫碳層等均滿足相關標準要求,未見明顯異常。斷口可見貝殼紋形貌,且斷口處存在疲勞輝紋和二次裂紋,擴展區(qū)有較多的二次裂紋,瞬斷區(qū)主要可見細小的剪切韌窩。說明該彈簧的斷裂性質為低應力作用下的高應力集中彎曲疲勞斷裂,裂紋源位于彈簧內側表面。

該斷裂彈簧表面沒有明顯的脫碳層,其斷口裂紋源區(qū)域附近外表面存在縱向裂紋,裂紋向內擴展,深度約為0.27 mm。裂紋內部已經被氧化,在裂紋尾部存在完全脫碳組織。離合器從動盤總成耐久試驗的溫度和濕度均符合實驗室要求,試驗溫度低于裂紋發(fā)生內氧化和脫碳所需的溫度,因此可以判斷該裂紋屬于生產制造過程產生的原始缺陷。該彈簧的組織為回火屈氏體,其熱處理過程包括淬火和中溫回火,結合裂紋內部氧化和脫碳的情況,判斷該裂紋來源于原料鋼坯的原始缺陷。因為彈簧上的裂紋深度達到了0.27 mm,在對原料鋼坯進行拉拔的過程中,裂紋伸長,可以判斷原料鋼坯中的裂紋深度超過0.27 mm,在中溫回火過程中,裂紋內部發(fā)生氧化,且局部完全脫碳。

在離合器從動盤總成中,內圈小彈簧和減振彈簧之間的設計單邊間隙為0.15～0.25 mm。然而在離合器從動盤總成耐久試驗過程中,內圈小彈簧和減振彈簧發(fā)生不規(guī)則壓縮,導致其發(fā)生相互接觸并發(fā)生摩擦損傷?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)大多數(shù)通過試驗的減振彈簧內側和內圈小彈簧外側之間均有不同程度的摩擦損傷。然而,該減振彈簧的斷裂位置并非摩擦損傷最嚴重的區(qū)域,且裂紋源區(qū)有沿縱向開裂的趨勢,與發(fā)現(xiàn)的原始裂紋缺陷擴展方向一致,因而可推斷該原始縱向裂紋的存在是導致減振彈簧發(fā)生斷裂的主要原因,而減振彈簧內側的摩擦會引起應力集中,對裂紋的擴展有一定的促進作用,最終導致彈簧發(fā)生斷裂。

3 結論及建議

該減振彈簧斷裂的原因為:彈簧內側表面存在原始縱向裂紋,且彈簧內側存在摩擦損傷,最終導致彈簧發(fā)生低應力作用下的高應力集中彎曲疲勞斷裂。

建議加強對原料鋼坯的檢查,選取適當拉拔速率,避免彈簧產生應力集中。此外,還需從設計上進行改進,避免離合器從動盤總成內圈小彈簧外側和減振彈簧內側發(fā)生摩擦。