彈簧疲勞斷裂案例分析

1、彈簧疲勞斷裂案例分析一引言現代工業(yè)社會的不斷進步，人類生活質量不斷提高，對工業(yè)產品各項功能的“安全性”、“環(huán)保型”、“舒適性”程度要求越來越高。彈簧作為工業(yè)產品中不可缺少的基礎元件，彈簧的性能直接關系到工業(yè)產品整體的質量水平的高低。關于彈簧的問題中，經常碰到和最終要解決的問題是“彈簧疲勞斷裂及應力松弛”。這是彈簧工作過程中失效的兩種主要形式。彈簧工作中后者更為普遍。應力松弛及彈性衰減的現象意味著彈簧彈性功能的部分喪失，甚至全部喪失。由此可見，提高彈簧疲勞壽命研究應力松弛和彈性衰退的規(guī)律及影響因素，對研制新的彈簧材料及抗應力處理技術，對不斷提高企業(yè)和行業(yè)競爭力，對國民經濟的發(fā)展，不斷提高我國彈簧

2、產品及彈性材料研制的科學技術水平，都有重大意義。二彈簧的疲勞斷裂通常疲勞斷口是由疲勞源、裂紋擴展區(qū)、最后瞬時斷裂區(qū)三部分組成。疲勞源有時非常清楚，有時則不清晰。裂紋擴展區(qū)和最后瞬時斷裂區(qū)則是主要組成部分。裂紋擴展區(qū)的特征：表面比較平滑，是裂紋緩慢擴展、裂紋面相互接觸及摩擦造成的結果。它是一種脆性的斷裂特征，裂紋擴展方向與最大拉應力方向垂直。通?？梢杂萌庋郯l(fā)現斷口上呈現海灘狀、貝殼狀或年輪狀的花樣?？梢愿鶕鸭y擴展方向與海灘狀條紋相垂直的現象及其曲率半徑最小的特征來確定彈簧斷裂的疲勞源。瞬時斷裂區(qū)特征：疲勞裂紋不斷擴展到一定程度后，有效的承載面積不斷減少，相應的工作應力逐漸增大，當該應力超過了彈

3、簧的斷裂應力時，彈簧就會瞬時斷裂。其特征是斷口比較粗糙、凹凸不平。疲勞斷裂的微觀特征：疲勞裂紋大多數在晶粒邊界、相界、夾雜物和脆性碳化物之間開始生成，然后逐漸向內擴展。疲勞斷口的微觀特征主要表現在裂紋擴展區(qū)上。擴展區(qū)的主要微觀特征是疲勞條帶。疲勞條帶有以下特征：條帶的形態(tài)是起伏或漣波狀；每一條帶代表一次循環(huán)載荷；由條帶可以斷定裂紋前沿線在前進時的位置；條帶有脆性和塑性的。三案例分析（1）轎車氣門彈簧斷裂 事故描述：氣門彈簧是汽車發(fā)動機的重要零部件，它不僅控制發(fā)動機氣門的開閉，還是極為重要的安全部件，故各汽車廠商對發(fā)動機氣門彈簧的質量都極為重視，內燃機氣門彈簧技術條件JB/T10591-2007

4、要求其臺架疲勞試驗2300萬次不斷裂。某型號轎車在出廠后行駛199km時出現發(fā)動機異響、怠速抖動現象，經檢查后發(fā)現一只氣門彈簧斷裂。圖為彈簧斷口電子顯微鏡下照片原因分析:通過觀察可知，斷裂源處對應的彈簧表面有一條長軸長為0.82mm、短軸長為0.43mm的近似橢圓的凹坑。由下圖可以發(fā)現：彈簧斷痕表面的凹坑中不但沒有噴丸跡象，而且存在明顯的刮擦痕跡，說明該凹坑并非油淬火回火彈簧鋼絲表面存在的凹坑缺陷遺傳至此，而是在彈簧制好剮蹭產生的。同時圖中也告訴我們斷裂源處彈簧表面有一層覆蓋物，該覆蓋物起源于凹坑一側，由此可斷定該覆蓋物為凹坑位置的金屬材料轉移至此。由此可以推斷，偶然因素使彈簧受外力沖擊刮蹭，

5、形成了上述的凹坑，并在沖擊刮擦凹坑底部時產生集中應力。氣門彈簧在服役期間承受交變應力，最大拉應力位于彈簧次表層，而凹坑底部的應力集中和最大拉應力相互疊加作用，造成氣門彈簧服役早起在剪切力的作用下，凹坑下面形成疲勞斷裂源，并迅速擴展，從而引起早起疲勞斷裂。由于該斷裂的原因是使用不當，所以我們以人為該斷裂直接從裂紋擴展階段開始。教材中解釋過，疲勞裂紋的起始階段占整個疲勞斷裂過程的百分之九十的時間，所以氣門彈簧的疲勞壽命只剩下了百分之十左右了。這也不難解釋氣門彈簧在使用了很短一段時間就會斷裂了。此時影響裂紋擴展的主要因素是應力強度因子K:K=BSna由公式我們可以因為B是無綱量，所以K的值由a來決定

6、。隨著裂紋的逐漸擴展K值不斷增大。當K=K時彈簧就會發(fā)生斷裂。max預防措施：通過對彈簧的化學成分分析，其化學成分符合國家標準要求。WW-"UsI斷裂彈貲化學咸分Tabl&Ch&rriicaFcornposftonoffFac®罟sporgw/%項EICSiMnpsCr£口0.50-0.601.20.60D.50-0.90CO.0M0.0250.50-0.800-551.420,670.0090680,06但是在后期加工處理工藝上存在漏洞，缺少噴丸這一工藝環(huán)節(jié)。教材中告訴我們噴丸可以有效去除殘余應力從而緩解疲勞損傷，延長彈簧的使用壽命。因為，如果生

7、產廠家能在加工過程中，增加噴丸這一工藝環(huán)節(jié)則可以有效延長氣門彈簧的使用壽命。但是在這個案例中，由于刮擦導致的彈簧表面出現的凹痕則是導致疲勞斷裂的主要原因，所以噴丸工藝只能適當的緩解這一問題。要從根本解決案例中的疲勞斷裂問題，可以通過無損檢測的手段來提前挑出有缺陷的零部件，從而提高產品的安全性，減小經濟損失。其中目視法則是最經濟的無損檢測方法，若想在此基礎上提高檢測的準確性，磁粉檢測和超聲波檢測也可以被采納。維護維修：此類問題屬于人為無意識導致的裂紋損傷，所以發(fā)動機不出現異常很難發(fā)現其中的裂紋，而當發(fā)動機真的發(fā)生故障時，一般彈簧已經斷裂而無法修復，所以沒有一個有效的辦法在彈簧沒有斷裂前進行修復。

8、轉k2轉向架彈簧斷裂分析 事故描述：轉k2彈簧的工藝流程為：原材料入廠檢驗f下料f制扁f加熱卷制f淬火f回火f一次工藝壓縮f端面磨削f噴丸處理f磁粉探傷f二次工藝壓縮f終檢f浸漆f干燥f存放f交驗。在彈簧制造過程中，由于各種原因，在生產制造過程中一些彈簧由于失效而報廢，在送檢和抽查過程中發(fā)生早期斷裂，特別嚴重的是在裝車之后發(fā)生斷裂。2005年9月，11家生產轉K2彈簧的廠家，其中4家的彈簧在質檢過程中折斷，彈簧疲勞試驗次數為300萬次，4家疲勞試驗折斷的次數分別為68萬次，79萬次，229萬次，249萬次。 原因分析：與上一個案例情況不同，在這個案例中彈簧失效并不是因為人為造成的表面缺陷，在檢

9、測之前我們可以大致猜測是因為加工過程工藝出現漏洞，導致彈簧無法通過標準檢測。而從教材中我們得知殘余應力對構件的疲勞性能影響很大，同時熱處理這道工藝流程會引入殘余應力，所以我們應該著重檢查熱處理過程中存在的問題。根據文獻介紹的資料：彈簧熱處理工藝為850°C±10°C，10號機械油冷卻，回火工藝為515°CX65min。通過對斷裂彈簧橫向金相試樣顯微組織觀測發(fā)現，該彈簧有較深的全脫碳+半脫碳層，其深度有0.45mm。心部金相組織為回火屈氏體，屬于正常熱處理組織。之后我們開始分析斷口結構。斷口可以明顯被分為三個區(qū)域：白亮區(qū)，木紋狀斷裂區(qū)和其他部分的快速斷裂區(qū)

10、。白亮區(qū)可以斷定為是疲勞區(qū)，其源區(qū)位于彈簧內圈表面，下壓時位于最大應力點上。源區(qū)可見到由表面向內擴展的顯微裂紋，疲勞裂紋就始于微裂紋處。擴展區(qū)平坦，可見到明顯的疲勞溝線。而木紋狀斷裂區(qū)可以明顯發(fā)現有夾雜物。這說明木紋斷裂區(qū)域與雜物有關。由加工過程及斷口分析可以得知，彈簧斷裂的成因并非單一工序造成，加工過程中的各主要環(huán)節(jié)均有不同程度的影響。彈簧熱處理時的淬火加熱時間過長，造成表面脫碳嚴重；未完全清除原材料表面存在的缺陷，由于彈簧的最大應力發(fā)生在彈簧的表層，彈簧的表面質量對疲勞強度影響很大，彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過程中造成的缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的主要原因。所以我們可以得出結論彈簧斷裂的原

11、因是材料自身的影響（夾雜物過多），彈簧表面存在較深的脫碳層。 預防措施：1）彈簧材料：在加工之前首先對原材料進行復審，檢驗合格之后在進行加工，經表面質檢無缺陷后方可進行下料作業(yè)。2）制造方法：在彈簧卷制及熱處理過程中，應盡量采用控制氣氛爐，以實現少無氧化加熱。3）另外還可以在工藝環(huán)節(jié)中添加噴丸處理，這一過程可以減少有害的殘余拉應力，也可以將殘余拉應力轉化為有利的參與壓應力，從而提高彈簧的疲勞強度。4）在拋丸處理后清理彈簧中夾雜的鋼丸，避免造成彈簧接觸疲勞斷裂。5）對于彈簧表面問題我們可以通過無損檢測的方法提前檢測出不合格產品，比如超聲波檢測法或者渦流檢測法。 維護維修：對于已經出現疲勞損傷的構件，我并沒有找到一個有效的方法來從根源上對彈簧進行修復，但是我們可以通過其他手段來延長彈簧的疲勞壽命。由于彈簧屬于鋼材料零件，所以我們可以通過修復退火來延長其疲勞壽命，據資料顯示在550°C下進行修復，最多可延長其疲勞壽命到兩倍。在退火過程中，儲存在彈簧中的應變能會釋放出來作為驅動力，使結構的微觀狀態(tài)向更穩(wěn)定狀態(tài)轉變。特別是碳化物的轉