高强度弹簧的延迟断裂

《高强度弹簧的延迟断裂》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、高强度弹簧的延迟断裂东北特殊钢集团大连钢丝制品有限公司徐效谦摘要：本文介绍了国内外关于弹簧延迟断裂的最新研究成果，从分析60Si2MnA弹簧延迟断裂实例着手，展示延迟断裂断口形貌，找出产生延迟断裂的原因，指出防止延迟断裂的途径。延迟断裂是指高强度弹簧在低于屈服极限的应力作用下，经过一段时间后突然发生的脆断。延迟断裂是高强度弹簧使用过程中较常见的一种缺陷，近期研究表明延迟断裂主要发生在回火马氏体钢中，1产生延迟断裂条件有：(1)使用应力≥1200MPa，也就是说产生延迟断裂的门坎值是1200MPa；(2)断裂产生于拉应力最大处，压应力

2、一般不会产生延迟断裂；(3)350℃左右低温回火，往往导致弹簧的延迟断裂敏感性增大；(4)延迟断裂多产生于原始奥氏体晶界处，P、S及其化合物在晶界的析出、碳化物在晶界的析出和集聚、氢在晶界的聚集都会增大弹簧延迟断裂的敏感性。21延迟断裂实例以60Si2MnA弹簧的断裂为例来分析延迟断裂的断口形貌和产生原因：用φ4mm钢丝绕制的螺旋弹簧，为提高耐蚀性能，成形后进行镀锌处理。弹簧原高85mm，服役时处于强压状态，弹簧压缩24mm，同时扭转135°，工作应力为1500Mpa，动作后弹力释放，弹簧恢复自由状态。弹簧制作流程为：弹簧成形→淬火

3、＋回火→酸洗→镀锌（电化学镀）→脱H处理（烘烤）→强压试验→装机。装机7个月后进行例行检查，发现部分弹簧断裂。在扫描电镜下观察失效弹簧的断口形貌，然后将断口磨平，在光学显微下镜观察断口附近的显微组织。在断裂的弹簧上取样，用光谱分析仪对弹簧的化学元素进行全分析，用气体分析仪对弹簧以及原材料中的气体H、O含量进行检验。弹簧的失效断口和组织的扫描电镜照片如图1、图2和图3。图1弹簧断口的宏观形貌图2弹簧断口的显微形貌图3弹簧断口的高倍显微形貌10μm10μm图4弹簧的断口处显微组织图5弹簧钢丝的显微组织从图1可以看出，弹簧断裂起源于螺旋弹

4、簧距端部2～3圈处的外侧（照片左侧），因为弹簧压缩和扭转受力，钢丝承受的是剪切应力和弯曲应力，断裂处却是弹簧承受应力最大处。裂纹起始和缓慢扩展于粒状断口区，颜色稍灰暗，然后是放射区，周围有剪切唇，这是典型的氢脆断口形貌。从图2和图3（断口形貌放大图）可以看出，断口为光滑平整的冰糖状和纤维状的混合断口。裂纹主要分布在晶界处，形成沿晶断裂。图4和图5分别是弹簧断口处和Φ4.0mm，60Si2MnA钢丝的显微组织，图4的显微组织为细小均匀的索氏体，图5的显微组织为退火后的粒状珠光体组织，两者均为正常显微组织。用光谱分析仪对弹簧断口处的化学

5、元素进行全分析，分析结果如表1。表160Si2MnA弹簧化学成分质量分数，%化学成分CSiMnPSCrNiCuMoTiAl(t)Al(s)检验结果0.591.760.680.0150.0030.090.060.120.010.010.0250.020.56～1.60～0.60～≤≤≤≤≤GB/T12220.642.000.900.0300.0300.350.350.25从表32检验结果可以看出：60Si2MnA弹簧的化学成分中磷、硫含量较低，各项成分均符合国标要求。用气体分析仪对弹簧以及原材料中的气体（H、O）含量进行检验，检验结果

6、如表2。表2弹簧及Φ4.0mm钢丝的氢、氧含量样品弹簧钢丝氢含量，ppm10.13、11.10.1氧含量，ppm2416综合分析，弹簧的化学成分符合国家标准要求，钢丝和弹簧的显微组织也基本正常，但是镀锌弹簧的氢含量却非常高，比钢丝中氢含量高出2个数量级。超高量的氢含量很可能是酸洗、镀锌过程中渗入钢材中的，是弹簧产生延迟断裂的原因。2延迟断裂机理无论从检验结果，还是理论分析都认为：氢含量偏高是高强度弹簧产生延迟断裂的主要原因，延迟的过程实际上是氢在弹簧钢中扩散、聚集、造成断裂的过程。关于氢致开裂(hydrogeninduced3cra

7、cking)的机理众说纷纭，肖纪美教授将其概括为三大类：压力理论、结合能理论和过程理论，三种理论对氢致开裂过程的描述是一致的，这个过程可简述如下：(1)钢中的氢来自内生和外部渗入两个途径。内生指冶炼时溶解于钢中的氢，随着温度降低溶解度下降，氢在钢内的不规整处：如晶界、相界或微裂纹处析出；氢在钢中形成间隙固溶体，由于奥氏体的间隙大于铁素体，氢在奥氏体中的溶解度大于在铁素体中的溶解度，钢锭冷却过程中，奥氏体转变为铁素体时必然有氢析出。外部渗入指弹簧钢在酸洗、电镀或在酸性环境中使用，氢气由外部渗入钢中。上面分析的60Si2MnA弹簧,经酸

8、洗、镀锌处理后钢中氢含量从0.1ppm上升到11ppm是典型的外部渗氢事例。(2)在250℃以下，钢中的合金元素和夹杂物几乎不能扩散，氢原子直径小(0.106nm)仍能活跃地进出，因此氢气的渗入和去除是可逆的。即使在常温下长期存放，渗