|
进气门弹簧断裂分析
长春汽车材料研究所
张义和 蔡日恒
潘延春
1
宏观检查
1.1
断裂情况
一个发动机进气门弹赞在汽车行驶至5OOOkm时发生断裂。
弹簧断裂情况见图1。为两处断裂。一处发生在距端面1.3圈处，称为第一断口，另一处发生在距端面2.7圈处，称为第二断口。
图1 断裂弹簧形态
图2 断口
1.2
断口形貌
该弹簧两个断口的断裂面与钢丝轴线所成的角度都接近45(见图2)。疲劳源位于内圈表面，断口上能较明显地分出疲劳裂纹扩展区和最后瞬断区，显示出典型的承受扭转应力产生扭转疲劳破坏的特征。两处断口的疲劳源处都有明显的纵向台阶，见图3。
在两个断口附近大约一圈的区域内都可见到与断口纵向台阶相连接的棕色线条，沿表面棕色线条处打磨，发现有与棕色线位里相应的次表面裂纹。
图3 第一断口纵向台阶
图4 钢丝表面发纹(第一断口)
2
扫描电镜断口形貌观察分析
用S550型扫描电子显徽镜，对断裂弹簧的断口及表面质量进行了观察分析。
利用电镜在放大约60倍的情况下，即可清楚地观察到钢丝表面的发纹(见图4)，说明该弹簧钢丝的洁净度或内在质量很差，同时也观察到前面提到的疲劳源台阶是与图5视场中最宽最长的发纹相连接(见图5)。图6为第一断口的疲劳源和疲劳裂纹扩展区形态。
图5 疲劳源台阶及相连的发纹(第一断口)
图6 第一断口疲劳源及疲劳裂纹扩展区
3显徽组织及硬度
测定弹簧硬度为44～45HRC，符合图纸要求.在断口附近取样观察显微组织，发现有轻微的表面脱碳，层深<0.05mm，显微组织为索氏体，符合大连钢厂企业标准《DB07-8965Mn弹簧钢丝》的规定。在末经腐蚀的情况下观察断口附近的横向取样样品，发现两处断口的次表面均存在大块夹渣，系冶金过程中产生的缺陷。第一断口夹渣宽度为0.47mm,距表面垂直深度为0.45mm；第二断口夹渣宽度为0.36mm,距表面垂直深度为0.45mm.两块大夹渣均有断续的小夹渣或裂纹延伸到钢丝表面，见图7。
图7
第一、二断口附近次表面夹渣 100×
4
分析讨论
气门弹黄的疲劳寿命主要取决于工作时的应力(最大应力和应力幅)、材料强度、表面质量、内在质量及制造质量。
检验中发现，该弹簧的原材料钢丝存在严重的表面、特别是内在质量缺陷，表面发纹很多。较粗的发纹与次表面的大块夹渣相连。裂纹及夹渣距表面的垂直深度达0.45mm，相当于钢丝直径的9%(CA6102气门弹摘钢丝直径为5mm)，这对气门弹簧用钢丝来说是绝对不允许的(一般允许的表面缺陷深度不得大于钢丝直径的1%)。这种严重缺陷的存在必然导致弹簧早期疲劳破坏。
根据夹渣和裂纹的形貌特征，可以判断该缺陷是原材料带来的，系钢材冶金过程中造成的。同时，图4中钢丝表面的发纹也表明钢丝的内在质量即纯净度很差，这种纯净度水平的钢丝，即使在没有冶金夹渣存在的情况下，也会大大降低弹簧的疲劳寿命，只不过是夹渣的存在加速了弹簧疲劳断裂的过程。
国外一些弹赞生产厂家为保证弹簧质量，一般都在弹赞成型机上配食涡流探伤检测仪器，以将有缺陷的弹簧挑选出来。
5
结论
a.气门弹簧的金相组织、硬度符合图纸及相应标准要求。
b.位于弹簧内侧表面的纵向夹渣及裂纹导致其发生早期疲劳断裂。
c.建议国内弹簧生产厂进行弹簧钢丝涡流探伤。
|
