田萬(wàn)英

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

某公司生產(chǎn)的304不銹鋼飲水機(jī)水閥彈簧在安裝后，僅使用了兩三個(gè)月便發(fā)生了斷裂，水閥中的彈簧決定了水閥開(kāi)啟壓力、閥瓣的行程以及在關(guān)閉狀態(tài)下密封的穩(wěn)定性，水閥彈簧斷裂后導(dǎo)致飲水機(jī)無(wú)法正常加水，出現(xiàn)干燒，引起火災(zāi)發(fā)生。為了分析該彈簧發(fā)生早期斷裂的原因，厘清事故的責(zé)任，且便于對(duì)后續(xù)的彈簧生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，以避免該類彈簧斷裂事件的再次發(fā)生，對(duì)斷裂的彈簧進(jìn)行了失效原因分析。

1 材料與方法

對(duì)斷裂的彈簧進(jìn)行切割取樣，采用手工化學(xué)分析的方法對(duì)斷裂的彈簧進(jìn)行了化學(xué)成分分析，采用金相顯微鏡對(duì)斷裂的彈簧進(jìn)行了金相顯微組織分析，采用掃描電子顯微鏡對(duì)彈簧斷口形貌進(jìn)行了掃描分析，另外通過(guò)掃描電鏡附帶的EDS對(duì)斷裂的彈簧表面進(jìn)行了微區(qū)化學(xué)成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌分析

斷裂的彈簧及彈簧在黃銅水閥中的安裝位置如圖1（a）和圖1（b）所示，從圖中可以看出，彈簧斷口整體平整，未見(jiàn)明顯的塑性變形痕跡，說(shuō)明彈簧的斷裂類型為脆性斷裂。結(jié)合彈簧的材料為塑性很好的304不銹鋼，出現(xiàn)脆性斷裂的可能原因?yàn)槠诨蛘邞?yīng)力腐蝕開(kāi)裂[1]，但彈簧整體光亮，未見(jiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，可以排除發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性，因此該水閥彈簧斷裂的可能原因?yàn)槠跀嗔选膱D1（b）中可以看出，彈簧表面有多個(gè)平臺(tái)出現(xiàn)，可以初步判斷彈簧的斷裂類型為多源疲勞斷裂。斷口附近宏觀照片如圖1（c）所示，斷口附近有明顯的加工缺陷，加工缺陷主要為平行的劃痕，可能產(chǎn)生于彈簧拉絲過(guò)程中的劃傷，劃痕遍布彈簧整個(gè)表面，這也是彈簧發(fā)生多源疲勞斷裂的原因之一。

圖1 斷裂彈簧實(shí)物圖及宏觀照片

彈簧是一種利用彈性來(lái)工作的機(jī)械零件，用于吸收振動(dòng)和沖擊能量，控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)。斷裂破壞是彈簧的主要失效形式之一[2]，其中最常見(jiàn)的是疲勞斷裂。彈簧的疲勞斷裂緣于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、材料缺陷[3]、制造不當(dāng)及工作環(huán)境惡劣等。疲勞斷裂往往起源于彈簧的高應(yīng)力區(qū)，如拉伸彈簧的鉤環(huán)、壓縮彈簧的內(nèi)表面、壓縮彈簧的兩端面等[4-8]。材料缺陷是導(dǎo)致疲勞斷裂的常見(jiàn)原因之一，馬小明等[9]對(duì)往復(fù)式甲烷壓縮機(jī)曲軸斷裂失效分析的研究表明：曲軸主頸處存在機(jī)械加工缺陷，在機(jī)械加工缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中處微裂紋萌生、擴(kuò)展最終發(fā)生疲勞斷裂。余世杰等[10]對(duì)H13熱作模具鋼沖頭的早期斷裂失效分析的研究表明：沖頭工作部位外壁區(qū)域存在夾雜物、氣孔、疏松等缺陷，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋源，在工作應(yīng)力作用下，橫向微裂紋萌生、快速失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致沖頭發(fā)生早期疲勞斷裂。宋宗賢等[11]對(duì)激光選區(qū)熔化成形的GH4169合金疲勞的研究表明：超高周疲勞區(qū)間斷裂的試樣的裂紋大多萌生于激光能量密度過(guò)高產(chǎn)生的圓形匙孔內(nèi)殘留的碳化物處，碳化物作為一種缺陷加速了裂紋萌生，縮短了疲勞壽命。斷裂的水閥彈簧疲勞起源于內(nèi)表面及外表面劃傷處，該處由于表面劃痕導(dǎo)致應(yīng)力集中，在缺陷處微裂紋萌生，從而發(fā)生了早期疲勞斷裂。

2.2 化學(xué)成分分析

彈簧手工化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出，彈簧化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的304不銹鋼材料化學(xué)成分要求。

表1 化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果（wt.%）

2.3 金相顯微組織分析

彈簧橫、縱截面金相試樣宏觀照片分別如圖2（a）、圖2（b）所示。從圖2（a）中可以看出，彈簧組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的晶界存在，可能為加工變形組織，值得注意的是外表面有兩個(gè)凹坑存在，該凹坑對(duì)應(yīng)于圖1（c）中的加工條紋。從圖2（b）中可以看出，彈簧的縱截面金相顯微組織主要為纖維組織。

圖2 斷裂彈簧金相顯微組織照片

2.4 SEM微觀形貌分析

彈簧SEM微觀形貌照片如圖3所示，從圖3中可以看出，彈簧的斷口為多源疲勞斷裂，斷裂源位于4個(gè)平整區(qū)的外表面，最終斷裂區(qū)為4個(gè)面的臺(tái)階交匯處。斷口表面的平整區(qū)為疲勞擴(kuò)展區(qū)，根據(jù)斷口的平整區(qū)占斷口總面積的80%以上，可以確定引起疲勞斷裂的應(yīng)力很小[10]，斷裂類型為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。在疲勞源附近有明顯的加工條紋存在，在疲勞擴(kuò)展區(qū)的局部放大區(qū)域有疲勞輝紋存在[13-14]，疲勞輝紋的出現(xiàn)可以確認(rèn)該彈簧的斷裂模式為疲勞斷裂。

圖3 斷口SEM微觀形貌照片

斷口表面EDS微區(qū)化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出，斷口表面化學(xué)元素除氧元素以外均為304不銹鋼中的元素，未發(fā)現(xiàn)S元素和Cl元素等的腐蝕性陰離子存在，說(shuō)明彈簧的斷裂主要由力學(xué)因素導(dǎo)致，與腐蝕無(wú)關(guān)。彈簧的斷裂過(guò)程為：外表面有劃傷，在使用過(guò)程中劃傷處應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，作為疲勞源，在后續(xù)應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終在強(qiáng)度不夠的情況下發(fā)生塑性失穩(wěn)斷裂。

圖4 斷口表面局部EDS微區(qū)化學(xué)成分分析圖譜

3 結(jié)論

綜合以上分析可知：該飲水機(jī)不銹鋼水閥彈簧的斷裂屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂，裂紋源位于彈簧外表面，裂紋源附近有縱向劃傷，劃傷內(nèi)表面由于應(yīng)力集中有微裂紋存在，直接導(dǎo)致了疲勞裂紋源在內(nèi)表面處的形成，并最終使彈簧發(fā)生疲勞斷裂?；诜治鼋Y(jié)果，建議加強(qiáng)對(duì)彈簧生產(chǎn)過(guò)程的管控，實(shí)現(xiàn)彈簧安裝規(guī)范化，以避免彈簧表面出現(xiàn)劃傷。