高文香，高玉周

（大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026）

0 引言

彈簧在產(chǎn)生及恢復變形時，利用材料的彈性和自身的結構特點，把機械能或動能轉變?yōu)樾巫兡埽ɑ蛘甙研巫兡苻D變?yōu)閯幽芑驒C械能），具有緩沖平衡、減震、機械儲能、控制運動、定位等功能，是機械零件的重要基礎，廣泛應用于機械儀表、電器、交通運輸、航空航天等領域[1-3]。工作過程中，彈簧起到緩沖平衡、自動控制、儲存能量、安全保險等作用[4-5]。彈簧是承受交變載荷的零件，此類零件的失效模式通常為疲勞斷裂，而疲勞斷裂對零件的表面狀態(tài)（如應力集中、脫碳等）尤為敏感[6]。彈簧的疲勞損傷等失效形式，在各種機械及儀表的使用過程中經(jīng)常發(fā)生，有時會造成嚴重事故，甚至危及到人們的生命安全[7]。螺旋彈簧冷彎成型時，在卷簧過程中由于工藝裝備不良或調整操作不當，會使彈簧表面產(chǎn)生缺陷，如自動卷簧機切斷彈簧時，刀具有可能插傷鄰近彈簧盤條的內表面；噴丸處理不當也會對彈簧鋼表面造成損傷[8]。彈簧鋼在各種載荷作用下容易發(fā)生損傷；因此，提高彈簧鋼的性能、了解彈簧鋼的失效原因就顯得尤為重要[9]。

55CrSi 彈簧安裝在柴油機泵下體內部，服役約400 h 后，24 件彈簧中有3 件發(fā)生斷裂。彈簧預計使用壽命為2000～3000 h。彈簧安裝在泵下體內部（柴油機運行時彈簧不會和周圍碰撞），泵下體安裝在柴油機上時彈簧處于壓縮狀態(tài)，此時彈簧的長度約為69 mm（彈簧自由長度為84.5 mm），柴油機運行時彈簧長度為47～69 mm 內變化，壓縮量大約為22 mm（圖1）。本研究通過分析斷裂彈簧的裂紋形態(tài)、斷口形貌以及金相組織，確定彈簧的失效機制，并對失效原因進行分析。

圖1 彈簧安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of spring installation

1 試驗研究

1.1 表面形貌觀察

1#彈簧斷裂發(fā)生在第5 圈處，2#彈簧斷裂發(fā)生在2.75 圈處，3#彈簧斷裂發(fā)生在2.2、4.5 圈處（圖2）。在3 個斷裂彈簧表面都發(fā)現(xiàn)了不同長度的凹痕，以2#彈簧為例，其下表面存在斷斷續(xù)續(xù)的凹痕（圖3a），通過掃描電子顯微鏡觀察測量可知，凹痕總長為18 mm，最大寬度為0.65 mm，最大深度為0.22 mm。凹痕表面處有明顯的針狀磷化顆粒（圖3b），應在彈簧表面處理即磷化前的簧絲制備、彈簧卷制過程中形成的。并且在彈簧裂紋源處有一凸起伸出物，與斷裂一側的凹陷相合（圖3c）。凹槽內部光滑，無磷化膜存在，斷面上沒有外力拉延的金屬斷口及疲勞斷口特征，表明該部位屬于折疊缺陷，屬于彈簧原材料的缺陷。

圖2 彈簧斷裂位置Fig.2 Fracture position of springs

圖3 斷裂彈簧表面形貌Fig.3 Surface morphology of broken spring

1.2 斷口形貌

彈簧斷口均展示了相似的宏觀特征，以2#彈簧斷口為例進行分析。2#斷口宏觀形貌如圖4a 所示，可以看出，彈簧斷口表面出現(xiàn)了明顯的由表向里的放射狀條紋擴展痕跡，斷口表面的放射狀條紋收斂于表面凹陷處（箭頭所指處），擴展區(qū)表面與彈簧線軸心呈45°，當擴展區(qū)表面擴展到彈簧線軸心時，沿彈簧絲徑中心表面擴展，形成最后撕裂區(qū)，瞬斷區(qū)呈粗糙的撕裂棱形貌。彈簧斷口的裂紋擴展區(qū)具有典型的疲勞斷裂微觀特征-疲勞條帶，疲勞擴展方向由彈簧表面指向心部位置（圖4b）。進一步觀察失效彈簧的裂紋源位置、裂紋擴展方向，該斷口具有疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)，說明彈簧的早期失效屬于疲勞斷裂。

圖4 斷口形貌Fig.4 morphology of fracture

1.3 化學成分分析

原材料的化學成分是保證彈簧力學性能的基礎，也是制定熱處理工藝的依據(jù)；因此，檢測材料的化學成分是材料加工應用的重要組成部分。由直讀光譜儀檢測可知，該彈簧化學成分符合55CrSi 彈簧鋼的要求。

1.4 力學性能測試

對斷裂彈簧附近靠近斷口處的試樣進行硬度測試，可知硬度符合技術要求。根據(jù)GB/T 1172—1999 對斷裂彈簧的抗拉強度進行換算，結果表明，斷裂彈簧的抗拉強度滿足GB/T 1222—2007 的要求（表1）。

表1 斷裂彈簧的硬度及抗拉強度Table 1 Hardness and tensile strength of broken springs

1.5 金相檢測

1）在斷裂彈簧斷口附近取縱向試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，采用苦味酸腐蝕劑浸蝕后輕拋，在光學顯微鏡下觀察，可見明顯的方向性拉拔痕跡，夾雜物或氣孔沿流線方向分布（圖5a）。在斷口處取橫向試樣進行觀察，表面無明顯脫碳現(xiàn)象[5]，斷口處及遠離斷口的心部處顯微組織為回火屈氏體，無自由鐵素體，在橫截面上存在氣孔和微小夾雜，腐蝕后呈黑色斑點狀（圖5b）。斷裂彈簧的顯微組織合格。

圖5 金相組織形貌Fig.5 Microstructure morphology

2）在彈簧裂紋源附近用線切割切取試樣，然后磨制成金相試樣，并對其夾雜物水平進行分析。按GB/T 10561—2005 進行夾雜物評定，夾雜物為D 類（環(huán)狀氧化物類）-細系，標準中D 類-細系的環(huán)狀氧化物類尺寸為3～8 μm，而斷裂彈簧的夾雜物大部分小于3 μm。夾雜物等級符合技術要求。將制備的金相試樣用過飽和苦味酸進行浸蝕。根據(jù)GB/T 6394—2002 規(guī)定，用截面法測定了平均晶粒度，晶粒度等級為9 級，滿足使用要求。

3）彈簧鋼的熔煉方式為連鑄連軋。圖6 為斷口橫截面示意圖，對斷裂彈簧切取橫截面試樣，采用苦味酸浸蝕后輕輕拋光，采用光學顯微鏡觀察，在絲徑的橫截面上，仍然保留鑄造結晶的形態(tài)，邊緣組織細小，在絲徑的心部為等軸晶及低熔點偏析區(qū)（圖7）。低熔點偏析區(qū)在心部呈線狀分布，長度約4 mm。在裂紋擴展至彈簧心部時，易產(chǎn)生軸向裂紋，對彈簧的疲勞裂紋擴展有較大影響。

圖6 斷口橫截面Fig.6 Cross section of fracture

圖7 連鑄組織形貌Fig.7 Microstructure of continuous casting

1.6 表面噴丸檢測

對斷裂彈簧切樣，在光學顯微鏡下觀測采用稀鹽酸清除了表面磷化膜的彈簧，可見噴丸質量較差，表面噴丸不均勻，許多位置存在粗糙表面，簧絲表面僅僅部分為噴丸凹坑所覆蓋，凹痕處沒有噴丸（圖8）。按照N90/010（Purchase specification，Man B&W Diesel Ltd.）要求，噴丸應覆蓋簧絲整個表面。

圖8 噴丸表面形貌Fig.8 Shot peening surface morphology

2 分析與討論

2.1 表面缺陷對應力的影響

凹痕（應力集中）對疲勞壽命有很大影響，可用有效應力集中系數(shù)Kτ來表示[10]：

式中：τ-1為光滑試件扭轉時(無應力集中)的對稱疲勞極限，τ-1K為有應力集中試件在相同情況下的對稱疲勞極限。Kτ=1 時無應力集中，當Kτ大于1 時有應力集中。

已知Kτ和ατ（理論應力集中系數(shù)）的關系，可以用來計算Kτ。為了用ατ計算Kτ，引入材料對應力集中的敏感系數(shù)qτ，其公式為[10]：

此外，絕對尺寸、材料表面加工系數(shù)、材料表面強化系數(shù)等因素也影響彈簧的疲勞壽命。

各因素的綜合影響系數(shù)Kτd為[10]：

式中：ετ為絕對尺寸系數(shù)，βτ為表面加工系數(shù)，βq為表面強化系數(shù)。

無劃痕彈簧的應力集中系數(shù)Kτ=1，有劃痕彈簧的應力集中系數(shù)Kτ=1.42[11]。

彈簧疲勞壽命的估算表明，在規(guī)定的試驗載荷下，有凹痕在彈簧最高應力位置從而造成應力集中，增加12.7%的等效對稱循環(huán)應力，疲勞壽命降低74%，不能滿足使用要求。斷裂彈簧表面存在多處凹痕，且該彈簧屬于螺旋壓縮彈簧，根據(jù)螺旋彈簧受載時的應力及應變特點，最大應力產(chǎn)生在彈簧絲截面內側點，即斷口的源區(qū)位置點[12]。

2.2 材質影響分析

綜合上述分析可知，彈簧的斷裂性質屬于疲勞斷裂。彈簧鋼材料塑性較低，外表面為受力最大位置，疲勞性能對表面缺陷敏感[13]，彈簧工作在交變載荷和高頻振動的環(huán)境中，要求具有高強度、高抗疲勞性能、高韌性、良好的抗應力松弛性能、高屈強比和良好的表面質量等。從受力分析可知，當彈簧工作時，其表面承受的應力最大，大部分損傷也是從彈簧材料的表面開始的，但該3 個斷裂彈簧表面噴丸質量都很差，不足以提高彈簧表面壓應力，延長彈簧壽命；YB/T 5105—1993、ASTM A401/A401M—1998 要求，鋼絲表面不得有肉眼可見的裂紋、折疊，對于絲徑大于6.0 mm，缺陷的深度小于鋼絲直徑的7%（約0.049 7 mm），最大深度不得超過0.06 mm。斷裂彈簧表面存在凹痕，這些凹痕是在彈簧絲制備、拉拔、卷制過程中形成的。凹痕的尺寸較大，最大深度為0.22 mm，遠遠大于標準中規(guī)定的尺寸，造成較大的應力集中，在彈簧反復運動下成為裂紋源，在應力作用下萌生裂紋，不斷擴展，并且彈簧材料為連鑄工藝制造，存在明顯的偏析，同時具有明顯的纖維結構，疲勞裂紋擴展到簧絲軸心時，裂紋擴展發(fā)生偏轉到沿簧絲軸心面，纖維結構的方向性導致裂紋擴展速率迅速增加，致使彈簧發(fā)生斷裂，最后導致彈簧的早期疲勞失效。

3 結論

1）彈簧的失效模式為疲勞斷裂，裂紋起源于彈簧絲表面的凹坑及折疊缺陷，缺陷是在彈簧絲制備及加工制造過程中形成的。缺陷深度遠遠大于標準規(guī)定的尺寸，并且彈簧表面噴丸不均勻，造成較大的應力集中，在彈簧反復運動下成為裂紋源，在應力作用下裂紋不斷擴展，最后導致彈簧的早期疲勞失效。

2）彈簧化學成分、顯微組織、晶粒度均符合要求。

3）彈簧絲為連鑄工藝制備，存在明顯的偏析及纖維結構，疲勞裂紋擴展至彈簧絲軸心時，裂紋擴展發(fā)生偏轉到沿彈簧絲軸心面，纖維結構的方向性導致裂紋速率迅速增加，導致形成疲勞斷裂斷口。