吳 劍 劉進華 劉 磊

（中車制動系統(tǒng)有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

橄欖簧是機車制動裝置的關鍵零件，其主要通過彈簧力來實現(xiàn)機車停放時的停放制動及手動緩解功能。裝配時將橄欖簧安裝在缸體內部后壓縮至一定高度，并用彈性卡環(huán)限位卡緊；在實際運用過程中，橄欖簧也是處于自然的壓縮狀態(tài)或充入壓力空氣后的更進一步壓縮狀態(tài)。近期，在橄欖簧組裝和試驗過程中出現(xiàn)了個別斷裂的現(xiàn)象，本文對該橄欖簧的斷裂失效情況進行了分析和探討，以掌握失效機理，落實改進措施，確保產品質量。

1 橄欖簧的主要技術參數(shù)

橄欖簧外形如圖1所示，為螺旋均勻變徑，中部位置簧絲直徑最大，約16 mm，兩端部簧絲直徑略小，約12 mm。該橄欖簧材質為55SiCrV，抗拉強度可達1 650 MPa以上，屬于高強度彈簧鋼，安裝后初始壓縮狀態(tài)彈簧力為9 925 N，工作行程中彈簧力最高可至12 680 N。

圖1 橄欖簧結構

2 橄欖簧的斷裂現(xiàn)象

橄欖簧斷裂發(fā)生在安裝后及試驗使用過程中，故障發(fā)生率2.23%，斷裂延遲時間大約在48 h內。斷裂發(fā)生后，停放制動完全失效。

斷裂外觀及斷口情況如圖2所示。

圖2 橄欖簧斷裂圖

3 橄欖簧的制造工藝簡述

橄欖簧由高強度彈簧鋼制作，主要工藝過程為卷簧、退火、修整、淬火、回火、探傷、噴丸、壓縮、表面噴塑。

4 橄欖簧的斷裂機理分析

4.1 斷口宏觀分析

斷口斷面顏色呈灰色，斷面相對平坦，斷口附近未見明顯宏觀塑性變形。斷口邊緣隱約可見向內發(fā)散的細小放射棱線，開裂源區(qū)位于斷口邊緣放射棱線收斂位置，斷口宏觀呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

4.2 斷口微觀分析

對斷口使用酒精超聲清洗后，采用掃描電鏡對樣品表面不同區(qū)域進行微觀形貌觀察。檢測結果表明：斷口開裂源區(qū)域微觀形貌均以冰糖狀沿晶脆性開裂形貌特征為主，晶面平坦，晶粒邊界清晰，如圖3（a）所示；放大后局部可見二次裂紋和典型雞爪紋形貌，雞爪紋為氫脆斷裂的典型形貌特征，如圖3（b）所示；斷口擴展區(qū)局部微觀形貌為沿晶+韌窩組成的混合形貌，局部呈現(xiàn)解理+韌窩組成的混合形貌，距離開裂源區(qū)越遠，韌窩形貌越多，如圖3（c）所示。

圖3 斷口局部形貌圖

5 橄欖簧的斷裂原因分析

通過斷口的宏觀及微觀分析，可以確定該橄欖簧故障為氫脆導致的沿晶脆性延遲斷裂。高強度彈簧鋼的氫脆延遲斷裂影響因素一般有材料本身因素和熱處理因素，下面結合該橄欖簧的制造工藝，分別就這兩方面因素進行分析，以明確氫脆斷裂產生的外在原因。

5.1 材料因素分析

對斷裂失效橄欖簧材料進行了化學成分分析，其化學成分符合產品設計要求，即符合GB/T 1222—2016中對牌號55SiCrV的要求，如表1所示。進一步對原材料、斷裂件、合格件的氫含量進行取樣，檢測到的氫含量均在10-6（1 ppm）以下，且沒有明顯的斷裂故障相關性，據(jù)此可以推測該氫脆故障非絕對氫含量較高所致，應該是存在氫聚集或其他性能異常增加了氫脆的敏感性[1]。

表1 化學成分檢測結果

5.2 熱處理因素分析

鋼的氫脆與其熱處理組織有密切關系，淬火+回火工藝是決定彈簧鋼微觀組織與強度級別的關鍵環(huán)節(jié)。通過查詢文獻可知，高強度材料55SiCrV在適宜溫度和時間的淬火+回火熱處理后，可獲得一定比例的回火屈氏體、回火馬氏體和殘余奧氏體。其中，回火屈氏體保證材料的高強度和高彈性極限，組織應細小穩(wěn)定[2]。

5.2.1 熱處理工藝排查

通過對該批次彈簧的熱處理工藝進行追溯排查，確認采用的淬火及回火溫度均為正常生產溫度，較前期條件未發(fā)生改變。差異在于淬火后的回火等待時間，正常生產時控制在淬火后2 h以內進行回火，該批次彈簧在淬火后8 h之久才進行回火，熱處理等待時效存在較大變化?；鼗馃崽幚淼却龝r效一般通過組織金相、硬度、殘余應力等影響材料性能[2]。

5.2.2 金相組織分析

為了進一步研究淬火之后回火的時效對彈簧組織的影響，對斷裂件和合格件進行了金相組織分析，如圖4所示。斷裂件和合格件基體組織均呈現(xiàn)針狀的回火屈氏體組織，且表面和芯部無明顯差異，也均未見夾渣、晶粒粗化、大量殘余奧氏體等，據(jù)此判斷回火等待時間的較大變化未對彈簧本身的金相組織產生顯著影響。

圖4 橄欖簧基體金相組織

另在裂源處彈簧表面發(fā)現(xiàn)深約8 μm連續(xù)條狀的二次淬火馬氏體，如圖5白亮層所示，裂源附近彈簧表面也可觀察到深約3 μm斷續(xù)條狀的二次淬火馬氏體。裂源處噴漆層未脫落，說明燒傷組織形成環(huán)節(jié)在熱處理之后，噴漆工藝之前，即為噴丸工序，推測噴丸過程存在異常。二次淬火馬氏體為典型的磨損燒傷組織，硬而脆，極大地增加了組織的氫脆敏感性，容易在持續(xù)拉應力載荷作用下發(fā)生氫脆延遲性斷裂。且因為硬度差異，在運用過程中該白亮層和基體界面處容易形成應力集中點，縮短疲勞壽命。

圖5 橄欖簧裂源處二次淬火馬氏體組織（白色條狀）

5.2.3 硬度分析

針對橄欖簧斷裂件和合格件進行硬度取樣檢測，結果如表2所示，可以看出斷裂件的硬度總體要高于未斷裂件，據(jù)此判斷淬火后未及時回火，彈簧在不均勻空冷狀態(tài)下出現(xiàn)硬度偏高及不均勻的情況。材料強度越高，對氫的敏感性越大，發(fā)生氫脆斷裂的風險也就顯著增加[1]。

表2 橄欖簧硬度檢測結果對比

5.2.4 應力分析

橄欖簧繞制后本身存在殘余應力，鋼絲圈的內側承受拉應力，外側承受壓應力。后續(xù)的熱處理工序需要實現(xiàn)殘余應力的有效釋放和均勻分布。對橄欖簧斷裂件同批次產品（1#件）及其他批次合格產品（2#件）的上部和下部位置各取一個點進行殘余應力測試，結果如表3所示。

表3 殘余應力測試結果

可以看出，斷裂件同批次產品上測試點的殘余應力值顯著高于其他批次合格產品，據(jù)此判斷橄欖簧在淬火之后未及時進行回火，導致淬火產生的變形應力無法有效釋放，存在殘余應力集中或較大的情況，對氫脆斷裂的敏感性進一步提高[3]。

6 分析結論

通過對橄欖簧斷口的宏觀及微觀分析，具備顯著的氫脆斷裂特征，斷口平整，呈放射狀棱線，沿晶脆性斷裂，可見雞爪紋，擴展區(qū)為韌窩混合形貌，據(jù)此可以確定此次橄欖簧斷裂性質為氫脆。

目前，關于氫脆條件下裂紋擴展機理存在各種不同的假設和理論，但氫脆對于材料特性和熱處理工藝的敏感性是基本共識，也是影響鋼氫脆斷裂的的主要因素。綜合上述分析，可以得出以下結論：

（1）高強度彈簧對于氫脆的敏感性較高，即使材料的絕對氫含量不高，氫脆斷裂現(xiàn)象仍有可能因熱處理不當而出現(xiàn)。

（2）橄欖簧制造時在淬火后沒有及時進行回火，雖然沒有引起金相組織的顯著變化，但導致了材料硬度偏高、殘余應力較大，對氫脆的敏感性顯著提高。

（3）噴丸工序異常產生的二次淬火馬氏體硬而脆，極大地增加了組織的氫脆敏感性，且和基體界面處容易形成應力集中點，縮短疲勞壽命。進一步排查確認噴丸工序異常，濾網(wǎng)存在破洞，有散熱扇葉片破裂后的金屬碎屑混在噴砂內，造成二次淬火馬氏體白亮層的出現(xiàn)。

（4）橄欖簧脆斷主要發(fā)生在產品正式運用之前的組裝和試驗過程中，承受了持續(xù)的載荷保持和一定沖擊，具有延遲性。

7 改進建議

通過上述分析可以確定橄欖簧斷裂失效的基本機理及原因，為了有效提升產品質量，降低氫脆風險，可以采取以下改進措施：

（1）合理管控橄欖簧淬火之后的回火時效，避免產品硬度及殘余應力異常偏高、性能變脆。

（2）加強對橄欖簧制造過程中關鍵設備狀態(tài)的管控及維護，避免工序異常導致的性能缺陷。

（3）橄欖簧出廠前在原有保載試驗基礎上增加保載時間及載荷沖擊，以幫助篩選橄欖簧的早期失效故障。