55CrSi鋼傳動閥彈簧斷裂

安裝在一傳動閥上的彈簧，規(guī)格為Φ3.25±0.25mm，原材料為55CrS淬硬鋼絲，在服役一段時間后斷裂。

該彈簧加工工藝為：卷簧—回火（400±5℃）—壓縮—磨平支撐圈面—表面強化處理（拋丸）—回火定型（195±5℃）—表面處理—探傷—檢驗—包裝。

圖11-99 所示為該彈簧的安裝示意圖，斷裂彈簧內(nèi)還嵌套了一個較小的彈簧。

圖11-99 彈簧安裝示意圖    

圖11-100所示為斷裂彈簧的宏觀形貌，可見斷口與彈簧繞向約呈45°，斷口附近無明顯宏觀塑性變形。

對斷裂面掃描電鏡分析，圖11-101所示為彈簧斷口正面的掃描電鏡形貌，可見彈簧表面無明顯腐蝕產(chǎn)物；左側(cè)斷面表面較粗糙，右側(cè)表面較光滑。經(jīng)微觀形貌觀察可確定該斷口呈疲勞斷裂特征，疲勞源區(qū)位于彈簧內(nèi)測（圖中A位置）；圖中所示B1、B2所示為疲勞裂紋擴展區(qū)，根據(jù)微觀疲勞條帶走向可知，疲勞裂紋沿圖中箭頭方向擴展，裂紋擴展至斷面中部脊線附近時，彈簧斷裂，圖中C區(qū)為終斷區(qū)。

圖11-102所示為疲勞源區(qū)掃描電鏡微觀形貌，可見斷面呈準解理形貌，邊緣有擠壓痕跡。

  圖11-101  斷口正面宏觀形貌          圖11-102疲勞源區(qū)（A1區(qū)）微觀形貌              

圖11-103所示為疲勞源區(qū)側(cè)面的宏觀形貌，可見彈簧內(nèi)壁有磨損的痕跡，這可能是大彈簧內(nèi)側(cè)與小彈簧外側(cè)在服役過程中長期接觸造成的。

圖11-104、圖11-105所示為疲勞擴展區(qū)微觀形貌，可見一系列間距約為2μm的疲勞條帶，根據(jù)疲勞條帶走向可判斷疲勞裂紋的擴展方向（疲勞裂紋的擴展方向應與疲勞條帶方向垂直）。

圖11-106、圖11-107、11-108所示為最終斷裂區(qū)的微觀形貌，可見一系列剪切韌窩與等軸韌窩。

                圖11-103疲勞源區(qū)側(cè)面形貌

金相檢測，圖11-109為失效彈簧的非金屬夾雜物金相照片，根據(jù)《GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準》評定為D類（球狀氧化物夾雜）細系0.5級。

圖11-109   彈簧夾雜物

圖11-110為失效彈簧斷口附近表層的金相組織，可見表面有半脫碳，脫碳層深度約25μm。圖11-111為失效彈簧心部金相組織，為回火屈氏體，變形組織明顯。

圖11-110  彈簧表面金相組織            圖11-111彈簧心部金相組織

對失效彈簧進行硬度梯度檢測，彈簧表面由于脫碳，硬度較低，心部硬度高于技術(shù)要求。結(jié)果見圖11-112 所示，

對失效彈簧進行化學成分分析，化學成分分析結(jié)果，彈簧材質(zhì)符合55SiCr鋼的要求 。

該彈簧材料合格，非金屬夾雜物滿足標準要求。彈簧采用淬硬鋼絲加工，加工彈簧后進行退火處理，未進行淬火，表面脫碳只能是原材料帶來的。

由于彈簧表面脫碳，致其疲勞強度降低。彈簧在加工過程中回火溫度低或回火時間不夠，致其彈簧硬度高。

大彈簧內(nèi)側(cè)與小彈簧外側(cè)在服役過程中長期接觸，造成了彈簧內(nèi)壁磨損，內(nèi)壁磨損處為疲勞源區(qū)。

彈簧斷面有明顯的疲勞條帶，為疲勞斷裂，疲勞條帶間距較窄；疲勞源位于彈簧內(nèi)側(cè)表面內(nèi)壁磨損處，疲勞擴展區(qū)約占整個斷面面積的一半。

由于大彈簧內(nèi)壁磨損，內(nèi)壁磨損處為疲勞裂紋源區(qū)；又因為彈簧表面脫碳，在服役過程中，彈簧受交變應力作用，裂紋很容易疲勞擴展。心部硬度高,彈簧存在較高內(nèi)應力，使疲勞裂紋擴展至整個斷面面積的一半時，彈簧疲勞斷裂。

由于該彈簧表面有原材料脫碳，使彈簧表面硬度低；熱處理不當造成心部硬度高，在服役過程中彈簧內(nèi)壁磨損，內(nèi)壁磨損處為裂紋源區(qū)，彈簧在交變應力作用下，本身存在質(zhì)量問題，使裂紋很容易疲勞擴展，最后疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）彈簧的斷裂屬于疲勞斷裂。

（2）引起彈簧疲勞斷裂的原因是彈簧本身存在質(zhì)量問題，彈簧內(nèi)壁磨損處為裂紋源區(qū)，在交變應力作用下，裂紋疲勞擴展最后疲勞斷裂。

（3）彈簧投料前應進行原材料檢查，存在質(zhì)量問題的原材料不投產(chǎn)。

（4）彈簧在熱處理過程中應按工藝進行，并控制彈簧硬度滿足工藝要求。

（5）對配合使用的大、小彈簧，要控制加工尺寸和裝配尺寸，使其滿足工藝要求。