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扭转弹簧断裂失效问题分析
刘 昕
胡景豫 陈宝贵
(中国人民解放军海军驻齐齐哈尔市地区军事代表室
一重集团公司质量部)
摘 要：某产品大量地应用了扭转弹簧，但在样机试验过程中多次出现扭转弹簧断裂的现象。为找出断裂原因给研制改进提供有效数据，结合实验室试验数据，提出一些看法为研制整改工作提供理论依据。
关键词：扭转弹簧
断裂
脆断
热处理
某产品由于其结构特点，大量地采用了扭转弹簧来实现机构动作。在制造中对弹簧的要求较高，一是各项指标及参数要求严格；二是可靠性要好。但在进行调试试验过程中，发现所使用的扭转弹簧经常断裂，为找出扭转弹簧发生断裂的原因，我们运用扫描电镜、光学显微镜、硬度计和化学分析等手段进行有效分析，并结合装配现场调查，对扭转弹簧断裂进行了失效分析，找出了断裂失效的主要原因，从而为下一步的研制工作奠定了基础。
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宏观断口观察及分析
扭转弹簧断裂对应件的宏观断口形态均呈现累次状，断口边缘有极浅的剪切唇，两个断口面平直，说明扭转弹簧在断裂时塑性变形极小；另外从两个断口面上的放射状形态指向上看，断裂源均在扭转弹簧内径表面处，其在断口上的相对位置相匹配，并且断裂源区域在整个断口面上所占的比例极少，甚至可以忽略不计。从以上现象可以初步认定弹簧脆断的可能性较大。
2
材质化学成份分析
扭转弹簧材质为60Si2CrVA钢，其化学成份分析结果和该钢的GB1222-84国标数据对比情况见表1。
从表1中可以看出：扭转弹簧材质60Si2CrVA钢化学成份的质量分数满足GB1222-84标准要求。
3
显微断口观察
首先将1号断口放在阳光下用低倍放大镜观察，其断裂源区域略呈白色。在扫描电镜下，1号断口的低倍形貌见图1。断裂源位于弹簧内径表面，稍偏里侧，断口面较平，断口边缘有极浅的剪切唇。整个断口脆断特征明显。
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金相观察
弹簧实物表面经磷化浸油处理而呈暗红色，观察其表面发现有划痕，见图2。取横向样品，经研磨、抛光后在光学显微镜下首先观察圆边，发现有凹坑（见图3）和凸出（见图4）现象，表明扭转弹簧材料外表面局部区域质量不佳。
图1 1号断口形貌
26×
图2
弹簧实物表面划痕形貌
图3
横截面显示弹簧表表面凹坑
图4 横截面显示弹簧表表面凸出
在光学显微镜下，钢中非金属夹杂物较少、较小，其中在材料表层未发现有夹杂物。将样品经4%硝酸酒精溶液浸蚀后观察，在材料表面未发现有脱碳现象，钢的显微组织为回火屈氏体，见图5，表明扭转弹簧材质的热处理状态为淬火+中温回火。经查，扭转弹簧材料的最终热处理制度为淬火(850±10℃保温10min后油冷)+回火(410±10℃保温25min后空冷)。由此考虑到扭转弹簧材料的脆性是否与回火温度的高低有关，但是从钢的显微组织上看不出变化。
图5 材料显微组织形貌 500×
5
材料硬度测量
取两只样品在横截面上进行洛氏硬度测量，其结果见表2。
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综合分析
综上所述，扭转弹簧在试验过程中首先在滑板一侧的直臂向内(11圆圈内径表面处产生裂源，随即断裂1根据受力分析，该处受拉应力为最大，在距此处(12圆圈内径处，发生断裂1根据扭转弹簧断口面平齐，放射状形态特征明显，断裂源区域微小及扭转弹簧一断三段等特点，认为扭转弹簧材料脆性较大，对材料表面缺陷的敏感性大。
在扭转弹簧材料表面可发现有明显的划痕，在光学显微镜下观察到材料表面凹坑和凸出现象，而显微断口观察表明。裂纹源区域有微凹坑或微缺口，这些均说明扭转弹簧材料表面质量有一定问题，扭转弹簧受力时，很容易在其表面缺陷处造成应力集中而发生脆断。
另外在断口的断裂源区域未发现有冶金缺陷，金相观察也表明钢中纯净度尚可，可以排除钢的冶金缺陷对扭转弹簧断裂影响的可能。
根据上述分析认为：扭转弹簧材料本身脆性和扭转弹簧材料表面质量不佳是造成扭转弹簧脆断的原因1同时据装配车间反映，在装配试验过程中时常有扭转弹簧断裂现象，说明此次扭转弹簧断裂不是偶然和孤立的现象，扭转弹簧材料的脆性应该与其热处理状态有关。
失效扭转弹簧的回火温度在400～420℃之间，扭转弹簧断裂的硬度测量结果为：HRC在54～55之间，其平均硬度为HRC54.8。
一般说来，60Si2CrVA钢属于高强度弹簧钢，回火温度在430～450℃之间仍保持较高的硬度，硬度一般在HRC48～52之间选取；若在常用回火范围为450～480℃之间选择，硬度可在HRC45～50之间选取。为避免回火脆性，回火保温后水冷。
回火是对弹簧使用性能有显著影响的热处理工序，一般说来弹簧钢的弹性极限在回火温度为350～450℃时出现最大值，而疲劳极限出现最大值的回火温度为450～500℃左右。此外；回火温度较高时。钢的塑性及韧性得到改善。对缺口及裂纹的敏感性及过载损伤的倾向性也相应减小。
通过60Si2CrVA钢在不同回火温度区间硬度变化的情况。并结合上述理论检验结果可以看出、扭转弹簧的回火温度低于资料推荐的温度区间。而硬度高出相应的取值范围%则扭转弹簧材料的脆性相对增大。对缺口的敏感性相对增大。在扭转弹簧承受重载的条件下。在其表面质量稍有不佳的情况下即可发生脆断。
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结语
通过上述观察和分析认为，弹簧成形后的热处理和弹簧的表面质量是影响其可靠性的两个重要原因。所以在编制热处理工艺时一定要根据弹簧的材质和实际使用状况来制定。而对于弹簧的表面质量，除在原材料采购时有严格的等级要求外，还应在弹簧成形后对其进行喷丸处理，以提高其表面的疲劳强度。另外弹簧镀铬后的除氢工序也是非常重要的。
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