60Si2MnA弹簧断裂分析

熊华，史学芳，毛信孚，王旗，王茂林

(西安远东公司，陕西西安710077)

摘　要：分析了化学成分、硬度、显微组织、剩余疲劳寿命，认为断裂是因组织不合格、表面缺陷、脱碳造成的。通过性能比较，提出了热处理工艺方法，并获得正常的显微组织和良好的综合性能。

关键词：弹簧；淬火马氏体；上贝氏体；屈氏体

1　情况简介

某厂用宽10mm、厚8mm的60Si2MnA扁钢丝绕制成弹簧，作冲压模具阳模的自动弹起之用。设计要求使用寿命为10万次以上，实际使用不到1000次就大量断裂。弹簧热处理工艺：箱式炉850℃油淬+360℃回火，空冷。最终要求硬度为44～50HRC。

2　原因检查

2.1　化学成分及硬度测试

取失效弹簧进行化学成分分析，结果其主要合金元素及碳含量符合技术条件(GB1222-84)要求。取断裂弹簧测其硬度，中心基体硬度为46.5～47.0HRC。

2.2　断口形貌

弹簧外被烤漆，宏观断口表面细、光洁，呈灰白色，有明显的块状形面及金属光泽，无明显的塑性变形区；断裂源区位于表面缺陷的锐角处，缺陷长3.5mm、宽1mm、深0.5mm。源区平坦，裂纹细小且扩展缓慢；扩展区裂纹呈放射状发展，有明显的放射花样及人字纹(图1)；瞬断区粗糙发亮。对断口进行扫描发现有沿晶二次裂纹，断口微观形貌属沿晶断裂，局部区域有韧窝(图2)。对其它断件的断口进行扫描，微观形貌相同。

2.3　显微组织

截取失效件制备金相试样，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，显微组织形貌见图3，为贝氏体组织；表面有明显的脱碳层，呈白色，见图4，外圈白色为低碳贝氏体，硬度低，由外向内，随脱碳程度减弱，硬度逐渐升高。用FM27型显微硬度计测得单面脱碳层深度为0.4mm。

2.4　热处理工艺及性能

2.4.1　力学性能比较

根据《热处理工程师手册》的介绍，厂家的热处理工艺与对应的硬度不符，为此，由厂家提供试样进行工艺及力学性能对比试验，其结果见表1。可知，相同的材料，相同的淬火工艺流程，双方试样的硬度值不同，生产厂方明显低。回火硬度相近时，拉伸试样的强度、伸长率和断面收缩率厂方也较低。外观所有拉伸试样断口的形貌特征：心部是裂纹源区，稍呈灰白色，裂纹扩展区呈暗灰色，纤维状，剪切唇区呈45度斜面的杯锥状断口，具有塑性断裂的特征。

2.4.2　显微组织比较

通过电镜分析，生产厂方淬火组织主要为淬火上贝氏体组织(图5a)，它的硬度比淬火马氏体低，360℃回火后为回火贝氏体。我方淬火组织为淬火马氏体(图5b)，420℃回火后为屈氏体(图5c)。检查原材料，未发现脱碳；我方淬2回火后无明显脱碳层。

    (a)淬火上贝氏体形貌(厂方)         (b)淬火马氏体形貌(我方)          (c)回火屈氏体组织(我方)　

图5　显微组织形貌  400×

2.5　剩余疲劳寿命评估

有关文献将表面缺陷分为两类，即平面型和非平面型。本弹簧表面缺陷为平面型，其对疲劳寿命的影响可根据下式计算：

由a/B-a¯/B关系曲线，a/L=0.5/3.5=0.14

                    a/B=0.5/8=0.0625

查曲线图得a¯/B=0.067，则a¯=0.536(a¯为当量裂纹尺寸)。

当材料组织均匀时，由公式：

Da/dN=1.37×10^-7△K^2.25

得N=a/1.37×10^-7△K^2.25=2.4×10⁴次(N--加载次数；a--取无裂纹尺寸(B-a¯-脱碳层深度)；△K=30.0kg/mm^3/2)。根据以上计算，如果设计强度能承受正常外载荷，那么弹簧应工作约2.4×10⁴次，远大于实际工作的约1000次。

3　分析与讨论

对力学性能及显微组织比较，可见生产厂家弹簧试样力学性能差的根本原因是其显微组织造成的。有关文献指出，弹簧钢淬2回火组织分为8级，合格组织为回火屈氏体，而回火屈氏体+少量贝氏体或网状、带状铁素体都是不合格组织。弹簧钢的回火屈氏体具有高的弹性极限、屈强比以及相应的韧性，使弹簧的实际使用疲劳寿命提高[3]。我方按工艺要求淬火，得到淬火马氏体，420℃回火水冷，得到回火屈氏体，硬度符合设计要求。回火水冷有利于抑制因材料冶金质量可能表现出的第二类回火脆性。

实际生产中，由于厂方操作过程控制不严，或炉温控温效果不好、淬火冷速较慢等，造成淬火后得到平行的羽毛状上贝氏体，其硬度相对于淬火马氏体较低，为了保证弹簧的硬度要求，就只能降低回火温度来满足；360℃回火后得到回火贝氏体，其综合力学性能差。弹簧使用过程中，受较大的交变载荷作用，由于显微组织不合格，脆性高，弹性和韧性低，很容易在使用中过早失效。而我方淬火试样组织为淬火马氏体，硬度超过60HRC，属正常淬火组织及硬度；420℃回火水冷，得到回火屈氏体，硬度在弹簧硬度要求范围内，强度、伸长率、断面收缩率较高，具有良好的综合力学性能，可以充分提高弹簧的使用寿命。

通过对弹簧剩余疲劳寿命的评估，可以认为引起弹簧早期疲劳断裂的重要原因是弹簧的显微组织不合格造成的；但是，原材料存在表面缺陷，为弹簧疲劳断裂提供了裂纹萌生的源区。文献[4]认为，弹簧表面脱碳会强烈降低其疲劳寿命。

4　结论

弹簧热处理后显微组织不合格是造成其早期疲劳断裂失效的主要原因；表面缺陷及脱碳加速了弹簧的早期疲劳断裂；建议在过程控制正常条件下，使用850℃油淬，400～450℃回火，水冷。