李 波，徐 偉，陳雷波，王志宏

(1.中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，西安 710089;2.中國(guó)人民解放軍駐西飛公司軍事代表室，西安 710089)

0 引言

彈簧是利用彈性來(lái)工作的機(jī)械零件，一般用彈簧鋼制成，用以控制機(jī)件的運(yùn)動(dòng)，緩和沖擊或振動(dòng)，儲(chǔ)存能量，測(cè)量力的大小，廣泛應(yīng)用于機(jī)械儀表中，飛機(jī)上許多機(jī)構(gòu)使用彈簧來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)功能，而彈簧作為機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，一般經(jīng)由繞制、熱處理、表面處理等工藝過(guò)程。文獻(xiàn)［1－3］認(rèn)為內(nèi)部缺陷是造成早期失效的主要原因之一，主要包括材料的石墨化，異常組織，非金屬夾雜等。造成彈簧早期失效的另一個(gè)重要原因還包括材料表面缺陷，如脫碳和表面加工過(guò)程中導(dǎo)致的凹坑和劃痕，以及表面處理導(dǎo)致的環(huán)境介質(zhì)等。彈簧制造的表面處理工藝中有吸氫現(xiàn)象，當(dāng)彈簧材料處于較高的強(qiáng)度水平時(shí)，就有可能在應(yīng)力集中處產(chǎn)生氫脆開裂而早期失效已被人們熟知。當(dāng)材料表面在表面處理過(guò)程中產(chǎn)生缺陷或裂紋，且由于表面處理中吸氫的作用，造成在缺陷或裂紋處出現(xiàn)斷裂的案例比較特殊。

由50CrVA鋼繞制彈簧在服役后發(fā)生斷裂，本研究主要分析其產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。

該彈簧裝配完成后，工作中機(jī)構(gòu)處于打開和關(guān)閉2個(gè)狀態(tài)，打開狀態(tài)彈簧伸長(zhǎng)為10%，關(guān)閉狀態(tài)彈簧伸長(zhǎng)為40%。彈簧生產(chǎn)具體過(guò)程為:車工→鉗工→局部退火→車工→表面處理(鍍銅)→熱處理(淬火+回火)→表面處理(退銅)→校正(熱處理)→磁粉檢測(cè)→表面處理(鍍鎘)→成品檢驗(yàn)。

圖1 彈簧外觀形貌Fig.1 Appearance of the spring

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

彈簧斷裂位于整個(gè)彈簧的中部，整個(gè)彈簧表面有黃色鍍鎘層，斷裂面與彈簧軸線成45°，斷口形貌見圖1。斷口斷面平齊，斷面為弧面橢圓形，可見清晰的放射花樣，放射花樣的收斂部位即源區(qū)，位于彈簧的內(nèi)側(cè)表面。在源區(qū)附近的簧絲表面進(jìn)行觀察，表面有損傷痕跡(圖2)。

圖2 彈簧斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of the spring fracture surface

1.2 斷口微觀觀察

將斷口在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，源區(qū)較平坦，高倍可見氧化腐蝕特征，斷裂區(qū)為沿晶特征，成冰糖塊狀，晶面上可見雞爪痕，外側(cè)表面的剪切唇區(qū)呈韌窩形貌(圖3)。對(duì)斷口處的彈絲側(cè)表面進(jìn)行觀察，可見側(cè)表面有損傷區(qū)域，為凹坑、微裂紋和腐蝕特征(圖4)。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Fracture microstructure

1.3 金相組織檢查

在彈簧斷口附近和內(nèi)側(cè)表面損傷區(qū)分別截取金相試樣，制備后在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液中浸蝕，觀察彈簧的金相組織以及表面損傷區(qū)冶金特征。彈簧心部組織為均勻的回火屈氏體，表面可見沿晶腐蝕，局部存在較薄脫碳層，脫碳層厚度約25 μm，材料規(guī)范要求鋼絲的表面應(yīng)無(wú)脫碳層(圖5)。斷口源區(qū)附近的區(qū)域呈弧形燒傷區(qū)，可見多處裂紋，長(zhǎng)約0.15mm，弧形區(qū)表面無(wú)脫碳，與未燒傷區(qū)表面脫碳組織特征對(duì)比顯明。對(duì)微裂紋區(qū)進(jìn)行放大觀察，裂紋附近可見燒傷形成的二次淬火馬氏體，回火燒傷形成的回火屈氏體［2－5］(圖 6)。

1.4 斷口能譜分析

對(duì)彈簧斷口側(cè)表面損傷區(qū)域、源區(qū)、源區(qū)附近和斷口中部位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。通過(guò)區(qū)域相比較可知斷口源區(qū)附近有腐蝕元素S和Cl和鍍層元素Cd。源區(qū)向內(nèi)S和Cl的含量逐步減少。

圖4 斷口附近表面損傷形貌Fig.4 Surface damage appearance

圖5 彈簧表面脫碳及沿晶腐蝕Fig.5 Surface decarburization and intergranular corrosion

圖6 損傷區(qū)顯微組織及形貌Fig.6 Microstructure and morphology of damage zone

表1 彈簧斷口能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Energy spectrum analysis result of fracture surface(mass fraction/%)

1.5 顯微硬度試驗(yàn)

在彈簧斷口附近表面損傷區(qū)、未損傷區(qū)和心部分別進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)采用4.9 N試驗(yàn)力，并換算成洛氏硬度［6］，結(jié)果見表2。

表2 顯微硬度檢測(cè)結(jié)果Table 2 Microhardness test results

由表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂彈簧心部的硬度平均值為HV 531.0，換算成洛氏硬度為HRC 51.0，符合彈簧的技術(shù)要求，但彈簧的表面損傷區(qū)、未損傷區(qū)的硬度分別為 HRC 38.0和 HRC 29.5，均遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。

2 分析與討論

該彈簧屬螺旋拉伸彈簧，根據(jù)螺旋彈簧受載時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變特點(diǎn)，最大應(yīng)力產(chǎn)生在簧絲截面內(nèi)側(cè)點(diǎn)［7］，即該斷口的源區(qū)位置點(diǎn)。彈簧斷口觀察結(jié)果表明，源區(qū)較平坦，可見氧化腐蝕特征，斷裂區(qū)為沿晶特征，呈冰糖塊狀，晶面上可見雞爪痕，外側(cè)表面的剪切唇區(qū)呈韌窩形貌。斷口能譜成分分析可知，斷口側(cè)表面損傷區(qū)域、源區(qū)、源區(qū)附近及斷口中部位置，除斷口中部位置外，都存在Cd元素，S和Cl的含量逐步減少，說(shuō)明該斷口源區(qū)有在表面處理過(guò)程中產(chǎn)生的損傷微裂紋。在裂紋中滲入了表面處理工序中所留下的腐蝕元素S和Cl元素，以及鍍鎘的Cd元素，滲入的越深含量越少。從彈簧的斷口特征，斷面的受力特點(diǎn)以及彈簧在工作中主要承受靜拉應(yīng)力等方面分析，彈簧具有延遲斷裂的特點(diǎn)，其斷裂性質(zhì)為氫致脆性斷裂。

彈簧內(nèi)表面有處損傷痕跡，斷裂起源于該損傷區(qū)，顯微組織檢查結(jié)果表明損傷區(qū)呈弧形，有顯微裂紋，弧形區(qū)表面無(wú)脫碳，與未燒傷區(qū)表面脫碳組織特征對(duì)比顯明。裂紋附近可見燒傷形成的二次淬火馬氏體，回火燒傷形成的回火屈氏體。弧形區(qū)的硬度高于表面，但低于心部，這是因?yàn)楸砻嬗忻撎紝?，其所形成的燒傷淬火區(qū)和回火區(qū)硬度比心部低。通過(guò)顯微組織和區(qū)域顯微硬度試驗(yàn)，可確定該損傷區(qū)為電接觸損傷特征，這是由于表面放電導(dǎo)致的瞬時(shí)高溫，并有爆炸力和沖擊波的作用造成的損傷［5］。

根據(jù)彈簧的加工過(guò)程和損傷痕跡出現(xiàn)在彈簧內(nèi)側(cè)表面的位置來(lái)分析，電接觸損傷痕跡應(yīng)出現(xiàn)在電鍍過(guò)程中，電鍍工藝需要工裝將彈簧拉長(zhǎng)，使得簧絲互不接觸，同時(shí)將電極從彈簧內(nèi)徑穿過(guò)并在兩端固定，電極和彈簧內(nèi)徑局部接觸導(dǎo)致燒傷。電極與彈簧接觸過(guò)程中，電流急劇升高，造成氫滲入彈簧內(nèi)部加劇，而且氫容易向損傷缺陷處滲入，使得彈簧的吸氫量增加。因此彈簧在電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的電接觸損傷是發(fā)生氫脆斷裂的主要因素。

彈簧斷口源區(qū)存在不同程度的腐蝕特征，由能譜分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物主要含有S、Cl元素;組織觀察彈簧表面可見沿晶腐蝕，這些表明彈簧在退銅工藝過(guò)程中存在酸洗過(guò)度，造成吸氫量增加［8］。因此彈簧在退銅工藝過(guò)程中酸洗過(guò)度也是導(dǎo)致氫脆斷裂的因素。

彈簧的制造要求簧絲表面無(wú)脫碳，而該彈簧表面有不同程度的脫碳層，尤其在損傷區(qū)出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，脫碳主要在2個(gè)方面產(chǎn)生，一方面為原材料簧絲在繞制前固有脫碳，另一方面為熱處理導(dǎo)致的脫碳，鍍銅工藝是為了防止脫碳而進(jìn)行表面保護(hù)。脫碳不僅降低彈簧的抗疲勞性能，也可能造成造成彈簧的早期失效。

綜上分析，彈簧的斷裂性質(zhì)為氫致脆性斷裂，彈簧在電鍍過(guò)程中的電接觸損傷是發(fā)生氫致脆斷的主要原因;退銅工藝過(guò)程中酸洗過(guò)度也是導(dǎo)致氫脆斷裂的因素，彈簧制造中的脫碳對(duì)彈簧的質(zhì)量有不良影響。

3 改進(jìn)措施

1)應(yīng)按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原材料執(zhí)行檢驗(yàn)，控制原材料脫碳水平;

2)通過(guò)彈簧斷裂的原因具體分析，應(yīng)在彈簧進(jìn)行表面處理時(shí)，提高電極的剛度，防止電鍍過(guò)程中電極與彈簧接觸，以避免彈簧表面出現(xiàn)電接觸損傷，嚴(yán)格控制電鍍的除氫工藝，減少吸氫影響;

3)改用真空熱處理，取消鍍銅工藝，既防止表面脫碳，又降低吸氫的影響以及無(wú)酸洗產(chǎn)生的晶間腐蝕;

4)通過(guò)嚴(yán)格的磁力探傷檢查，有效檢出簧絲表面的缺陷，以提高彈簧的質(zhì)量水平。

4 結(jié)論

1)彈簧的斷裂性質(zhì)為氫致脆性斷裂。

2)彈簧在電鍍過(guò)程中的電接觸損傷是發(fā)生氫致脆斷的主要因素;退銅工藝過(guò)程中酸洗過(guò)度也是導(dǎo)致氫脆斷裂的因素。

3)彈簧制造中的脫碳對(duì)彈簧的質(zhì)量有不良影響。

［1］李樹梅，閻平.螺旋彈簧斷裂分析及預(yù)防措施［J］.金屬熱處理，2012，37(11):130－132.

［2］左華付.進(jìn)氣門外彈簧斷裂原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2009，4(1):43－46.

［3］金雙峰，程鵬，姜膺，等.彈簧的失效分析與預(yù)防技術(shù)［J］.金屬熱處理，2011，36(增刊):145－148.

［4］Hou W G，Zhang W F，Liu X，et al.Failure analysis of aviation torsional springs［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2011，24(4):527－532.

［5］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004:29－47.

［6］中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.GB/1172—1999黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999:4－5.

［7］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2006:387－392.

［8］鄭文龍.氫脆的分析與預(yù)防［J］.理化檢驗(yàn):物理分冊(cè)2012，48(增刊):28－33.