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某厂疲劳试验过程中发生早期断裂的弹簧材质为SWOSC-B，装配在涨紧轮中，于扭转试验运行约1200次时发生断裂，其化学成分在正常范围内，基本工艺：绕簧→油淬火回火→电泳→测扭矩→包装。我们通过宏观观察、硬度分析、电镜分析、金相检验等检验手段对断口进行综合分析，结果显示其断口外弯部位存在氧化铁层、凹坑及小裂纹等缺陷，这些缺陷易产生应力集中，因此疲劳试验过程中在最薄弱的缺陷部位产生疲劳开裂。

 

1.宏观观察

弹簧表面有黑漆覆盖，断裂部位及环向侧面局部有“摩擦”后遗留的断续分布的“小亮区”。观察断口横截面发现开裂源位于弹簧样品的外弯局部部位，开裂源部位较为平坦，有弧型疲劳区，裂纹扩展区呈放射状，最后断裂区位于另一侧内弯边缘部位，有明显的剪切特征，其宏观形貌见图1。

 

图1 送检横向断裂弹簧宏观形貌

 

2.硬度测试

取断口相邻部位进行硬度测试，结果见表1。根据标准JIS G3560-1994，此失效弹簧直径约5 mm，对应拉伸强度1760-1910 N/mm2，换算为洛氏硬度为50.5-53.0 HRC。结果显示此失效件处于标准要求硬度范围的下限。

 

表1 送检弹簧样品硬度测试结果

 

3.电镜分析

采用ZEISS的EVO15型号电镜观察断口形貌，图2可清楚观察到断口的开裂源、裂纹扩展区、最后断裂区。断口开裂源位于弹簧外弯表面局部部位，放大观察开裂源部位虽剐蹭严重，但仍可观察到周围有疲劳纹，继续放大可观察到开裂源部位局部存在凹坑及裂纹缺陷，见图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)；裂纹扩展区呈放射状向外扩展，见图3(e)、3(f)；最后断裂区位于断口另一侧边缘部位，可观察到剪切唇及其韧窝形貌，见图3(g)、3(h)。

 

图2 横向断口开裂源区、扩展区、瞬断区整体低倍形貌

 

图3 断口各区域局部特征形貌

 

4.金相分析

采用ZEISS的正置显微镜Scope.A1进行金相分析。在断口附近分别取两块试样进行横截面与纵截面分析。

横截面和纵截面外弯处即开裂源对应部位均观察到表面覆着一厚度约15μm的不致密脆性层，经牛津能谱 ULTIM MAX 100检测为氧化铁层，见图4。

横截面试样表面和基体组织为回火屈氏体，图5(a)，表面无明显脱碳现象，基体晶粒度9.5级。在横截面外弯处即开裂源对应部位发现表面有一厚度约15μm的不致密的氧化铁层，见图5(b)。而内弯及左右两侧部位表面较平整，未见明显氧化铁层和凹坑缺陷。纵截面夹杂物较少，评级结果见表2（参考标准GB/T 10561-2005）。纵截面基体组织为冷拉变形呈纤维状分布的回火屈氏体见图6(a)，与横截面相似，外弯部位存在不致密的氧化铁层且局部存在凹坑及小裂纹缺陷，见图6(b)，其它部位未见明显缺陷。

 

表2 纵截面夹杂物分析结果（GB/T 10561-2005）

 

图4 外弯部位脆性层能谱定性分析

 

图5 横截面基体组织及外弯处小凹坑缺陷（左1000X 右500X）

 

 图6 纵截面截面基体组织及外弯处小裂纹缺陷（500X）

 

5.分析意见

5.1宏观观察：断口开裂源位于样品外弯局部部位，裂纹扩展区宏观上呈放射状，表明此阶段疲劳扩展相对较快。最后断裂区位于断口开裂源相对的另一侧边缘呈一定角度，有明显的剪切特征。

5.2 硬度测试：结果表明送检断裂弹簧样品的硬度处于标准要求硬度范围的下限水平（参考标准JIS G3560-1994）。

5.3断口观察：断口开裂源区位于弹簧外弯局部部位，周围有较为平坦的弧型疲劳区，疲劳纹较致密，表明初期疲劳裂纹扩展相对较慢。裂纹扩展区微观上是相对较宽的疲劳纹，表明此阶段疲劳扩展相对较快。最后断裂区位于断口开裂源相对的另一侧边缘，有明显的剪切特征。

5.4金相分析：1）试样纵截面夹杂物较少；2）试样横截面和纵截面表面均无明显脱碳现象；3）横截面基体组织为分布较均匀的回火屈氏体，纵截面基体组织是变形呈纤维状分布的回火屈氏体，表明材料存在一定的成分偏析；4）试样横截面与纵截面外弯部位均存在深度约15微米的氧化铁层，有的部位氧化铁脱落形成凹坑缺陷，有的部位存在小裂纹缺陷。这些表面缺陷都会成为应力集中源，受力后为材料早期断裂埋下隐患。

5.5综上所述：送检疲劳试验早期断裂的弹簧样品，其断口处外弯部位存在氧化铁层、凹坑及小裂纹等缺陷，这些缺陷易产生应力集中，疲劳试验过程中在外弯（受拉面）最薄弱的缺陷部位产生疲劳开裂，然后以疲劳方式向内部扩展，直至最后在内弯边缘部位产生整体断裂。另外，该弹簧硬度偏下限，对其疲劳性能也有一定影响。