李曉超 曹蕾 陳搖 陳凌云 劉超

摘 要：柱塞彈簧在使用過程中斷裂。為分析彈簧失效的原因，對故障件進(jìn)行了外觀檢查、電鏡觀察、硬度檢測和金相分析。結(jié)果表明：柱塞彈簧的失效模式為疲勞斷裂，而導(dǎo)致彈簧疲勞斷裂失效的主要原因是彈簧內(nèi)圈表面的放電擊傷痕跡，柱塞彈簧上未發(fā)現(xiàn)與材質(zhì)有關(guān)的缺陷。

關(guān)鍵詞：彈簧;疲勞斷裂

柱塞彈簧在使用過程中常會出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，且較高比例的斷裂是由于表面缺陷造成。柱塞彈簧材料為50CrV，針對柱塞彈簧在使用過程中斷裂的問題，分別對彈簧進(jìn)行外觀檢查、電鏡觀察、硬度檢測和金相分析。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1外觀檢查

斷裂彈簧表面呈藍(lán)黑色，斷裂發(fā)生在彈簧靠一端約1/3位置，彈簧未見明顯的塑性變形。斷面與彈簧鋼絲軸線約呈45度角;彈簧鋼絲直徑約為1.4mm，符合圖紙要求;彈簧內(nèi)圈表面，斷口附近有沿彈簧鋼絲軸線方向的擦傷，圖1、2

1.2電鏡檢查

彈簧斷口見圖3

斷口呈銀灰色，有少許擦傷，斷口未見明顯的塑性變形;斷口可見疲勞特征，斷裂起始于彈簧內(nèi)圈表面，對源區(qū)放大觀察，可見斷裂起源于彈簧表面的缺陷，圖4。

進(jìn)一步觀察彈簧斷口，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶及二次裂紋特征，見圖5;

斷口瞬斷區(qū)為韌窩加準(zhǔn)解理特征，見圖6。

繼續(xù)觀察斷口源區(qū)的表面缺陷，見圖7，缺陷尺寸約180μm，使用X射線能譜儀分析該缺陷位置的成分，見圖8，通過譜圖可見，該缺陷位置含有鋁元素。而該彈簧的材料是50CrV，不含有鋁元素，對彈簧表面其它位置的X射線能譜分析也未見鋁元素存在。說明鋁元素和斷口源區(qū)缺陷有關(guān)系。

1.3硬度檢測

用顯微硬度計測量彈簧橫截面的顯微硬度，并換算成抗拉強(qiáng)度，約為1626MPa，工藝要求為1471MPa～1765 MPa，符合要求。檢查彈簧金相組織，見圖9，為回火托氏體+碳化物顆粒，是正常的淬火、回火組織，未見脫碳現(xiàn)象。

2 分析與討論

彈簧斷口有疲勞特征，說明該斷裂屬于疲勞性質(zhì)。疲勞起源于彈簧內(nèi)圈表面的缺陷處，該缺陷的能譜分析顯示有鋁元素存在，而鋁的引入很可能是在電拋光工序時，彈簧通過鋁絲夾持、通電，兩者接觸不良或接觸時發(fā)生振動，引起放電起弧現(xiàn)象，并導(dǎo)致金屬轉(zhuǎn)移帶來的。當(dāng)放電發(fā)生時，會在瞬間產(chǎn)生高溫，致使材料熔化，除材料表面留下痕跡外，還會在熔化層下面形成熱影響層，使材料組織和性能發(fā)生變化;同時，放電帶來的表面拉應(yīng)力，還會造成零件的疲勞抗力較原來低很多。

3 結(jié)論

柱塞彈簧的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞起源于彈簧內(nèi)圈表面的放電擊傷痕跡，柱塞彈簧上未發(fā)現(xiàn)與材質(zhì)有關(guān)的缺陷。