1、测试与分析收稿日期:作者简介:郭泽尧()男工程硕士高级工程师主要从事钢铁材料的金相和失效分析等工作联系电话:钢弹簧疲劳断裂原因分析郭泽尧冯玉洁 袁桥军 杨小军(.湘潭钢铁集团有限公司湖南 湘潭.湖南理工职业技术学院湖南 湘潭)摘 要:采用直径为 、经油淬和回火的盘条制作的 钢弹簧在疲劳试验早期断裂 检测了盘条的化学成分和拉伸性能并对断裂的弹簧进行了断口分析和金相检验 结果表明:盘条的化学成分和拉伸性能均符合要求但弹簧表面有细微裂纹、机械损伤和脱碳层等缺陷以及马氏体导致疲劳性能降低从而在疲劳试验时过早断裂关键词:钢弹簧盘条 表面缺陷疲劳中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:引言 是高
2、级优质弹簧钢广泛应用于汽车、拖拉机、机床、铁道车辆的板簧、螺旋弹簧等某 钢弹簧的生产工艺为:.盘条酸洗磷化拉拔至 .油淬、回火后卷绕成弹簧 在对弹簧进行疲劳试验时其疲劳寿命只有十五万次就发生了断裂而要求的疲劳寿命为五十万次以上 本文对 钢弹簧在疲劳试验过程过早断裂的原因进行了分析并根据分析结果提出了相应的改进措施 理化检验.化学成分检测采用 /型红外碳硫分析仪检测了制作弹簧的盘条的化学成分结果见表该批盘条的化学成分符合要求 表 盘条的化学成分(质量分数)单位:项目实测值.标准值.热处理 年第 卷 第 期.力学性能检验采用 万能液压拉伸试验机对该批 钢盘条进行了拉伸试验结果盘条的抗拉强度、断后伸
3、长率和断面收缩率分别为 、和 符合企业标准要求的、和 断口分析弹簧卷绕后一般会进行喷丸处理以在弹簧表面产生压应力和加工硬化并能改善表面光洁度有利于提高弹簧的疲劳强度 但在喷丸过程中可能会在弹簧表面产生细小的压痕 疲劳试验断裂的弹簧断口的宏观和微观形貌如图 所示疲劳源位于图()中圆圈所示部位疲劳源处无夹杂物等冶金缺陷也无表面裂纹等缺陷 金相检验对疲劳试验断裂的弹簧进行了金相检验结果如图 所示 弹簧截面没有超过.的裂纹类缺陷疲劳源处有很多凹坑凹坑附近有很浅的微裂纹组织为回火托氏体 弹簧疲劳试验过程中发生了位错的滑移且这种不均匀滑移首先集中在弹簧表面因此弹簧表面的微观缺陷就是疲劳断裂的起始处此外弹簧
4、表面有脱碳层深度为.如图 所示是导致疲劳裂纹早期萌生的直接原因图 弹簧断口的宏观()和断口局部区域的微观()形貌图 弹簧表面的凹坑()和基体显微组织()图 弹簧表面的脱碳层如果在绕制过程中弹簧表面产生机械损伤在进行疲劳试验时弹簧的疲劳寿命也会达不到规定的要求 利用体视显微镜检验结果表明裂纹区域的表面有机械损伤和白色条带如图 所示 表面白亮色带组织是绕制过程中产生大量的热使钢丝表面局部温度瞬间升高随后冷却时表面形成的马氏体当弹簧受交变应力时由于内部和表面的变形性能不同从而导致弹簧断裂 结论()在交变载荷作用下 钢盘条表面的微观缺陷是裂纹源导致弹簧的疲劳试验时发生早期断裂()由于盘条表面产生机械损
5、伤擦伤处形成马氏体组织在交变应力的作用下引起断裂()弹簧表面脱碳不仅降低硬度和耐磨性而且降低疲劳强度导致弹簧过早断裂热处理 年第 卷 第 期图 弹簧表面的机械损伤()和白亮色组织()改进措施提高表面质量 消除铸坯表面的毛刺、飞边和振痕等缺陷 轧制过程中粗轧阶段采用高压水除鳞清除掉轧件表面的氧化皮避免喷丸时表面产生凹坑避免绕制时发生机械损伤和热处理时发生表面脱碳参考文献 史美堂.金属材料及热处理.上海:上海科学技术出版社.张继魁张国亮.重型汽车弹簧钢性能及应用.重型汽车():.郭泽尧邢耀进.弹簧钢疲劳寿命不稳定原因分析.金属材料与冶金工程():.夏永康赵庆凯曹掌兵等.柱塞弹簧的超声检测分析.中国
6、设备工程():.孟耀青郑永瑞昊乾.汽车用弹簧钢线材夹杂物的控制.钢铁研究学报():.王飞.弹簧钢棒线材质量投诉的分析研究.理化检验物理分册():.(上接第 页)相含量及平均直径远小于退火的合金()随着锻造温度的升高合金中初生 相含量减少 相晶粒变细()随着锻造后冷却速率的提高合金中初生 相平均直径减小锻后水冷的合金初生 相晶粒明显小于风冷和空冷的合金且水冷的合金初生 相明显拉长参考文献 胡清熊.钛的应用及前景展望.钛工业进展():.李梁孙建科孟祥军.钛合金的应用现状及发展展望.钛合金工业进展():.王金友葛志明周彦邦等.航空用钛合金.上海:上海科学技术出版社.陈慧琴林好转郭灵等.钛合金热变形机
7、制及微观组织演变规律的研究进展.材料工程():.刘婉颖朱毅科林元华等.热处理对 钛合金显微组织和力学性的影响.材料导报():.王晓燕刘建荣雷家峰灵等.初生及次生 相对 合金拉伸性能和断裂韧性的影响.金属学报():.(上接第 页)参考文献 王刚.铝包殷钢芯超耐热铝合金导线在工程中的应用.天津电力技术():.彭会芬孙中华.高强度因瓦合金的发展现状及展望.河北冶金():.向雪梅江河董建新等.难变形高温合金 的铸态组织及均匀化.金属学报():.柴国明陈希春郭汉杰.高温合金中一次碳化物形成规律.中国有色金属学报():.王成德.高架送电电缆用高强度低膨胀合金.金属材料研究():.陆建生毛彭龄倪和勇等.低膨胀合金碳化物析出规律的研究.宝钢技术():.樊红亮曾清华赵爱民.高碳铬钢凝固及热处理组织演变规律.钢铁研究学报():.刘江等.低膨胀合金的应用和发展.金属功能材料():.().():.热处理 年第 卷 第 期
