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彈簧是一個(gè)重要的基本部件,主要用于緩沖、減震、儲能、連接和傳遞力和扭矩。Cr17Ni7Al鋼彈簧在使用中斷裂,本文分析了斷裂的原因。斷裂彈簧的截面相對平坦,可分為明顯的兩部分:白色、平坦、明顯的凸臺;灰色、粗糙、邊緣特征明顯。對斷面的放大觀(guān)察發(fā)現,斷面有明顯的疲勞弧,疲勞弧中心指向底凸臺,可初步判斷疲勞源位于底凸臺附近,從彈簧內側向外延伸。斷裂彈簧及其斷口的宏觀(guān)形狀如圖1所示。
斷裂彈簧的化學(xué)成分見(jiàn)表1。從表1可以看出,彈簧的化學(xué)成分符合要求GB/T1220——2007中OCr17Ni7Al鋼的要求。
掃描電鏡分析
用丙酮超聲波清洗斷口,然后放在掃描電鏡下觀(guān)察。斷口形狀見(jiàn)圖2。斷面分為三部分:開(kāi)裂區、開(kāi)裂擴展區和快速斷裂區。開(kāi)裂源于凸臺底部彈簧內側的長(cháng)條形凹坑。凹坑可能是由殘渣脫落引起的。裂紋擴展區可以觀(guān)察到與擴展方向相對應的疲勞帶,具有明顯的疲勞特征。韌性特征可以在快速斷裂區觀(guān)察到。
金相和能譜分析
根據拋光和腐蝕觀(guān)察,在截面附近沒(méi)有發(fā)現明顯的冶金缺陷,組織為回火馬氏體,與遠離截面的顯微組織沒(méi)有明顯區別,也沒(méi)有發(fā)現表面脫碳現象,如圖3所示。對缺口進(jìn)行能譜分析,發(fā)現硅和鋁的氧化物。能譜分析結果見(jiàn)圖4。
疲勞是承受交變載荷的運動(dòng)部件最常見(jiàn)的失效形式之一。彈簧是承受交變載荷的典型部件。斷裂彈簧斷面有明顯的疲勞弧,這是典型的疲勞斷裂特征。疲勞弧膨脹的反向指向內徑側凸臺附近,相對平坦,外徑壁附近粗糙,邊緣線(xiàn)明顯向外壁膨脹。根據上述特點(diǎn),可以初步確定彈簧斷裂為疲勞斷裂,裂紋起源于彈簧內徑的凸起。
微觀(guān)分析發(fā)現,截面可分為三個(gè)區域:疲勞源區域的裂紋擴展區域和快速撕裂區域。裂紋起源于凸臺內徑壁附近的長(cháng)條形凹坑,以坑兩側的端點(diǎn)為起點(diǎn),沿兩個(gè)方向向向外壁擴展。能譜分析沿凹坑剖面取樣,結果表明凹坑對應的部位有硅和鋁氧化物,因此可以得出結論,間隙可能是由殘渣脫落引起的。裂紋擴展區有明顯的疲勞帶,這是疲勞斷裂的特征,對應于宏觀(guān)外觀(guān)。斷裂凸臺由兩個(gè)裂紋起點(diǎn)的擴展和交叉引起。
拋光狀態(tài)下,斷口附近其他部位無(wú)明顯冶金缺陷,顯微組織為回火馬氏體,與遠離斷口的組織無(wú)明顯差異,彈簧顯微組織正常。
失效的OCr17Ni7Al鋼彈簧斷裂為疲勞斷裂,疲勞源區為彈簧表面附近的夾渣。彈簧主要由夾渣的存在引起,在交替載荷的作用下導致疲勞斷裂。使用過(guò)程中,彈簧承受交替載荷,表面質(zhì)量對其疲勞性能有顯著(zhù)影響。建議提高鋼的冶金質(zhì)量,避免夾渣。
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