60Si2Mn弹条断裂失效分析

胡晓辉

(河南洛阳030信箱理化室，洛阳471009)

摘　要：采用化学分析、断口扫描、硬度测定和金相检验方法，对60Si2Mn弹条在试用过程中出现的频繁断裂进行了分析。确认，弹条脆断的原因是由于热处理不当，使淬火组织过烧，造成弹条综合性能差而引起的。

关键词：60Si2Mn；弹条；脆性断裂

1　情况简介

弹条是铁路建设的重要部件，它主要利用弹性变形时所储存的能量起到缓和机械上的震动和冲击作用，是在动载荷下承受长期的、周期性的弯曲、扭转等交变应力。

某单位生产的弹条，材质为60Si2Mn，直径约13mm，经950℃中频感应炉淬火7～8min，470℃回火1h处理。在试用过程中，当承受正常工作压力的70%静载后约有200根弹条断裂。

2　检验与结果

2.1　化学成分分析

弹条化学成分分析结果列于表1。

2.2　硬度测定

弹条洛氏硬度测定结果列于表2。

2.3　断口宏观观察

断口粗糙不平，呈弱金属光泽的亮点，并可见闪光的晶粒形状，撕裂棱线细而锋利，断口周围无塑性变形，见图1和图2。

      图1　断裂弹条实物照                                图2　断口形貌　12×

2.4　断口微观观察

将断口试样用酒精超声波清洗干净，置于SEM515扫描电镜中观察。断口形貌呈冰糖状，沿晶界或亚晶界断裂及有少量的准解理断裂，同时发现二次裂纹，见图3。在试样近表面区域，一些低熔点的杂质及氧化铁聚集在晶界上，见图4。

    图3　沿晶断裂及二次裂纹　186×                  图4　晶界上聚集着铁的氧化物　388×

2.5　金相检验

在断裂件上截取金相试样，在光学显微镜下观察，其组织为回火针状马氏体，针叶粗大。试样边缘有脱碳现象，近表面有部分晶界氧化，见图5。

图5　断口显微组织　160×   4%硝酸酒精溶液侵蚀

3　分析

上述检验结果表明，该弹条的化学成分符合GB/T1222-1984标准中的60Si2Mn成分要求。

从断口的宏微观照片上看，弹条断裂无塑性变形，断口呈沿晶断裂和准解理断裂，属于典型的脆性断裂。一般弹簧钢经淬回火后可获得最佳组织——回火屈氏体，硬度为45～50HRC，无脱碳现象，综合力学性能和工艺性能优良。而断裂件硬度偏高，回火马氏体针叶粗大，说明心部已产生过热。弹条边缘脱碳，近表面有部分晶界氧化，表明弹条热处理时近表面已产生过烧现象。过烧原因是热处理操作中未严格控制加热工艺，淬火温度过高，或保温时间过长，导致弹条晶粒长大。氧化气体渗入近表面晶粒边界处与铁生成铁的氧化物，造成部分晶界发生熔化，导致脱碳。过烧后的弹条塑性特别是韧性大大降低，使弹条综合性能变差，不能满足其使用要求。

4　结论

弹条断裂是典型的脆性断裂。其断裂的主要原因是热处理操作不当，造成近表面显微组织过烧，心部组织过热，而造成材料综合性能大幅度降低。

5　建议

(1) 选择合适的淬火温度及保温时间。

(2) 为消除及减轻弹条表面缺陷的有害影响，在最终热处理后进行喷丸处理，使表层产生残余压应力，以强化表面，提高疲劳强度，延长使用寿命。