周愛兵，李云霞

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司山東分公司，山東 青島266555）

某公司送檢了一件左前座椅調(diào)角器盤簧，該盤簧是在座椅下線檢查時發(fā)現(xiàn)調(diào)角器失效，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)盤簧斷裂的。據(jù)了解，該零件在前期裝配過程中也出現(xiàn)過類似質(zhì)量問題，但數(shù)量較少，近期發(fā)生多起盤簧斷裂事件，故障率超過5%，故委托我實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行故障原因分析。筆者通過對斷裂盤簧進(jìn)行的一系列理化檢驗(yàn)，分析了其斷裂的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

圖1為失效的盤簧，斷裂及測試位置如標(biāo)注位置所指，圖2為斷口宏觀圖。從斷裂面看，斷面起伏較大，整體呈淺灰色，在斷面的右下角有一細(xì)小黑色圓點(diǎn)，顏色明顯較其它區(qū)域深，推測此處為裂紋源，此處先裂開，在空氣中氧化后顏色發(fā)生改變。裂紋沿著紅色箭頭所指的方向擴(kuò)展，最后斷裂于裂紋源對面的方向。裂紋面整體比較平滑，在終斷區(qū)可見明顯的剪切唇。剪切唇斷口光滑，與主應(yīng)力方向呈45°角，外表面有毛邊特征，剪切唇的對面為裂源[1]。通過剪切唇法，進(jìn)一步鎖定了裂紋源的位置。

圖1 失效的調(diào)角器盤簧

圖2 盤簧斷口宏觀形貌

據(jù)了解，盤簧的生產(chǎn)工藝為：拉拔→壓扁→800℃油淬→500℃回火→調(diào)直→高頻局部加熱→內(nèi)端折彎→繞簧→外端折彎→剪斷→290℃定型回火→表面處理。

1.2 化學(xué)成分分析

在盤簧上截取試樣，利用斯派克MAXx06-F型臺式直讀光譜儀進(jìn)行基體材料的化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。材料符合GB/T1222-2007對65Mn彈簧鋼的要求。

表1 調(diào)角器盤簧的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.3 硬度測試

在盤簧上截取試樣，使用HBRV-187.5型電動布洛維硬度計(jì)對其進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果為42.0～43.5 HRC，圖紙要求硬度為42～45HRC，符合圖紙要求。用DHV-1000Z型數(shù)顯顯微硬度計(jì)在斷口及附近測試，結(jié)果為410～425 HV1，依據(jù) GB/T 1172-1999相當(dāng)于洛氏硬度42.5～43.5 HRC，也符合圖紙工藝要求。

1.4 力學(xué)測試

用廠家提供的故障件同批次拉伸試樣，在AI-7000LA5型伺服控制電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果符合GB/T1222-2007對65Mn彈簧鋼的力學(xué)性能要求。結(jié)果見表2。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果

1.5 金相檢驗(yàn)

在垂直于斷口的截面上進(jìn)行金相取樣，經(jīng)磨平、拋光，置于GX40-DS金相顯微鏡下觀察非金屬夾雜物情況，主要夾雜物為硅酸鹽類和球狀氧化物，依據(jù)GB/T10561-2005，非金屬夾雜物級別評級為C0.5D0.5。夾雜物比較少，說明鋼的純凈度比較高，夾雜物不是引起斷裂的原因。如圖3所示。

圖3 斷口附近非金屬夾雜物

磨拋后，在斷口的外側(cè)附近發(fā)現(xiàn)多條裂紋。裂紋長度短，開口較大，比較符合受外力彎曲所產(chǎn)生的裂紋形態(tài)，最長的一條裂紋為0.26 mm×0.07 mm。如圖4所示。

圖4 裂紋源附近的裂紋

用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液對試樣進(jìn)行浸蝕，在金相顯微鏡下觀察，裂紋源及附近裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳現(xiàn)象，斷口附近以及遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的金相組織為正常的回火索氏體組織加少量鐵素體，根據(jù)GB/T13320-2007可評回火索氏體3級。裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳，表明裂紋是在高頻局部加熱后的工藝中或使用中產(chǎn)生的（如圖5、圖6所示）。

圖5 斷口及附近裂紋組織

圖6 金相組織

1.6 斷口分析

利用JCM-600Plus臺式掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行觀察，高倍下，明顯可見裂紋源有黑色氧化腐蝕產(chǎn)物和一些晶體狀物質(zhì)。說明此處最先開裂，在空氣中氧化，呈現(xiàn)不同于其它地方的黑色（如圖7、圖8所示）。

圖7 斷裂源形貌圖

圖8 斷裂源形貌圖

擴(kuò)展區(qū)的微觀特征為準(zhǔn)解理和韌窩（如圖9、10所示）。終斷區(qū)的微觀特征為拉長韌窩（如圖11、12所示）。可見，樣品的失效模式為韌脆混合斷裂。

圖9 斷口擴(kuò)展區(qū)形貌圖

圖10 斷口擴(kuò)展區(qū)形貌圖

圖11 終斷區(qū)形貌圖

圖12 終斷區(qū)形貌圖

利用JCM-600Plus臺式掃描電子顯微鏡+能譜儀對斷口進(jìn)行能譜（EDS）半定量分析，裂紋源分析位置及EDS譜見圖13、14，成份分析結(jié)果見表3、表4。從表3、表4可見，除盤簧的基體元素外，檢測到了高含量的氧元素、鋅元素、磷元素、氯元素；同時作為對比，對盤簧的終斷區(qū)也進(jìn)行了能譜的半定量分析，分析位置及EDS譜見圖15，成份分析結(jié)果見表5，結(jié)果顯示除了基體元素外，氧元素和碳元素比較高，其它元素都在正常范圍內(nèi)。兩區(qū)域最大的區(qū)別在于裂紋源區(qū)存在高含量的氯元素、磷元素。根據(jù)委托方提供的加工工藝，推斷氯元素、磷元素是在磷化處理時進(jìn)入裂紋的，即裂紋產(chǎn)生于酸洗磷化處理之前。氧元素含量高進(jìn)步一輔證了此處是斷裂源。

圖13 斷裂源形貌圖及能譜分析-1

圖14 斷裂源形貌圖及能譜分析-2

表3 位置1-EDS分析結(jié)果

表4 位置2-EDS分析結(jié)果

圖15 終斷區(qū)形貌圖及能譜分析-3

表5 位置3-EDS分析結(jié)果

2 分析與討論

（1）上述試驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂盤簧的化學(xué)成分符合GB/T1222-2007對65Mn彈簧鋼的要求；通過對此盤簧同批次原材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，也符合GB/T1222-2007對彈簧鋼的力學(xué)性能要求。斷口及遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的顯微組織為回火索氏體3級，符合GB/T13320-2007的要求。非金屬夾雜物也在正常范圍之內(nèi)。說明原材料是合格的。

（2）通過宏觀和微觀檢查，斷裂起始于盤簧的外圓弧與端面的交界位置，然后向?qū)?cè)快速擴(kuò)展至斷裂。斷口的斷裂源在樣品表面，斷裂源有氧化現(xiàn)象，且存在氯元素、磷元素。樣件表面存在多條橫向裂紋，裂紋長度短，開口較大，金相組織正常；斷口的斷裂形式為韌脆混合斷裂。

（3）產(chǎn)生該樣件失效的原因可能為：產(chǎn)品在加工過程中，在樣品表面產(chǎn)生了細(xì)小裂紋，形成了裂紋源，降低了材料強(qiáng)度，導(dǎo)致了斷裂的產(chǎn)生。單從裂紋的產(chǎn)生途徑來說，方式有多種：一是材料本身不合格，上述理化檢驗(yàn)過程已經(jīng)排除；二是熱處理過程中產(chǎn)生淬火裂紋，如果是淬火裂紋，那么零件極有可能會存在過熱現(xiàn)象，組織會比較粗大。經(jīng)檢，盤簧的組織是回火索氏體三級，符合技術(shù)要求，且裂紋的形態(tài)不符合淬火裂紋曲折剛直，尾部尖銳的形態(tài)[2]，排除此種原因；三是產(chǎn)品在成型加工過程中，材料產(chǎn)生了破壞；四是使用過程中受力產(chǎn)生了裂紋，如果是使用中產(chǎn)生的原始裂紋，裂紋源處不會快速形成黑色氧化物。根據(jù)斷裂源處存在氯元素、磷元素，而擴(kuò)展區(qū)沒有，推斷氯元素、磷元素是在磷化處理時進(jìn)入裂紋的，即裂紋產(chǎn)生于酸洗磷化處理之前。那么斷裂原因鎖定在盤簧折彎/繞簧的過程中。

3 結(jié)論

該盤簧是折彎/繞簧過程中，表面產(chǎn)生了細(xì)小裂紋，在受作用力的情況下，強(qiáng)度不夠?qū)е碌臄嗔?。建議廠家從盤簧生產(chǎn)工藝入手，重點(diǎn)關(guān)注繞簧直棒等工裝是否完好，以解決盤簧開裂的問題。