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(xiàn)代工業(yè)社會(huì)的不斷進(jìn)步，人類生活質(zhì)量不斷提高，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品各項(xiàng)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(chǎn)品中不可缺少的基礎(chǔ)元件，彈簧的性能直接關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)品整體的質(zhì)量水平的高低。關(guān)于彈簧的問題中，經(jīng)常碰到和最終要解決的問題是“彈簧疲勞斷裂及應(yīng)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(yīng)力松弛及彈性衰減的現(xiàn)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(yīng)力松弛和彈性衰退的規(guī)律及影響因素，對(duì)研制新的彈簧材料及抗應(yīng)力處理技術(shù)，對(duì)不斷提高企業(yè)和行業(yè)競爭力，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不斷提高我國彈簧

2、產(chǎn)品及彈性材料研制的科學(xué)技術(shù)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(kuò)展區(qū)、最后瞬時(shí)斷裂區(qū)三部分組成。疲勞源有時(shí)非常清楚，有時(shí)則不清晰。裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬時(shí)斷裂區(qū)則是主要組成部分。裂紋擴(kuò)展區(qū)的特征：表面比較平滑，是裂紋緩慢擴(kuò)展、裂紋面相互接觸及摩擦造成的結(jié)果。它是一種脆性的斷裂特征，裂紋擴(kuò)展方向與最大拉應(yīng)力方向垂直。通常可以用肉眼發(fā)現(xiàn)斷口上呈現(xiàn)海灘狀、貝殼狀或年輪狀的花樣?？梢愿鶕?jù)裂紋擴(kuò)展方向與海灘狀條紋相垂直的現(xiàn)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(shí)斷裂區(qū)特征：疲勞裂紋不斷擴(kuò)展到一定程度后，有效的承載面積不斷減少，相應(yīng)的工作應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)該應(yīng)力超過了彈

3、簧的斷裂應(yīng)力時(shí)，彈簧就會(huì)瞬時(shí)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(shù)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(nèi)擴(kuò)展。疲勞斷口的微觀特征主要表現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展區(qū)上。擴(kuò)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(jìn)時(shí)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(dòng)機(jī)的重要零部件，它不僅控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的開閉，還是極為重要的安全部件，故各汽車廠商對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧的質(zhì)量都極為重視，內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧技術(shù)條件JB/T10591-2007

4、要求其臺(tái)架疲勞試驗(yàn)2300萬次不斷裂。某型號(hào)轎車在出廠后行駛199km時(shí)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)異響、怠速抖動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)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(duì)應(yīng)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(xiàn)：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(chǎn)生的。同時(shí)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(cè)，由此可斷定該覆蓋物為凹坑位置的金屬材料轉(zhuǎn)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(shí)產(chǎn)生集中應(yīng)力。氣門彈簧在服役期間承受交變應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位于彈簧次表層，而凹坑底部的應(yīng)力集中和最大拉應(yīng)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(kuò)展，從而引起早起疲勞斷裂。由于該斷裂的原因是使用不當(dāng)，所以我們以人為該斷裂直接從裂紋擴(kuò)展階段開始。教材中解釋過，疲勞裂紋的起始階段占整個(gè)疲勞斷裂過程的百分之九十的時(shí)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(shí)間就會(huì)斷裂了。此時(shí)影響裂紋擴(kuò)展的主要因素是應(yīng)力強(qiáng)度因子K:K=BSna由公式我們可以因?yàn)锽是無綱量，所以K的值由a來決定

6、。隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展K值不斷增大。當(dāng)K=K時(shí)彈簧就會(huì)發(fā)生斷裂。max預(yù)防措施：通過對(duì)彈簧的化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。WW-"UsI斷裂彈貲化學(xué)咸分Tabl&Ch&rriicaFcornposftonoffFac®罟sporgw/%項(xiàng)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(yīng)力從而緩解疲勞損傷，延長彈簧的使用壽命。因?yàn)?，如果?/p>

7、產(chǎn)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(gè)案例中，由于刮擦導(dǎo)致的彈簧表面出現(xiàn)的凹痕則是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因，所以噴丸工藝只能適當(dāng)?shù)木徑膺@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(chǎn)品的安全性，減小經(jīng)濟(jì)損失。其中目視法則是最經(jīng)濟(jì)的無損檢測方法，若想在此基礎(chǔ)上提高檢測的準(zhǔn)確性，磁粉檢測和超聲波檢測也可以被采納。維護(hù)維修：此類問題屬于人為無意識(shí)導(dǎo)致的裂紋損傷，所以發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)異常很難發(fā)現(xiàn)其中的裂紋，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)真的發(fā)生故障時(shí)，一般彈簧已經(jīng)斷裂而無法修復(fù)，所以沒有一個(gè)有效的辦法在彈簧沒有斷裂前進(jìn)行修復(fù)。

8、轉(zhuǎn)k2轉(zhuǎn)向架彈簧斷裂分析 事故描述：轉(zhuǎn)k2彈簧的工藝流程為：原材料入廠檢驗(yàn)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(yàn)。在彈簧制造過程中，由于各種原因，在生產(chǎn)制造過程中一些彈簧由于失效而報(bào)廢，在送檢和抽查過程中發(fā)生早期斷裂，特別嚴(yán)重的是在裝車之后發(fā)生斷裂。2005年9月，11家生產(chǎn)轉(zhuǎn)K2彈簧的廠家，其中4家的彈簧在質(zhì)檢過程中折斷，彈簧疲勞試驗(yàn)次數(shù)為300萬次，4家疲勞試驗(yàn)折斷的次數(shù)分別為68萬次，79萬次，229萬次，249萬次。 原因分析：與上一個(gè)案例情況不同，在這個(gè)案例中彈簧失效并不是因?yàn)槿藶樵斐傻谋砻嫒毕?，在檢

9、測之前我們可以大致猜測是因?yàn)榧庸み^程工藝出現(xiàn)漏洞，導(dǎo)致彈簧無法通過標(biāo)準(zhǔn)檢測。而從教材中我們得知?dú)堄鄳?yīng)力對(duì)構(gòu)件的疲勞性能影響很大，同時(shí)熱處理這道工藝流程會(huì)引入殘余應(yīng)力，所以我們應(yīng)該著重檢查熱處理過程中存在的問題。根據(jù)文獻(xiàn)介紹的資料：彈簧熱處理工藝為850°C±10°C，10號(hào)機(jī)械油冷卻，回火工藝為515°CX65min。通過對(duì)斷裂彈簧橫向金相試樣顯微組織觀測發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)。斷口可以明顯被分為三個(gè)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(nèi)圈表面，下壓時(shí)位于最大應(yīng)力點(diǎn)上。源區(qū)可見到由表面向內(nèi)擴(kuò)展的顯微裂紋，疲勞裂紋就始于微裂紋處。擴(kuò)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(xiàn)有夾雜物。這說明木紋斷裂區(qū)域與雜物有關(guān)。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(shí)的淬火加熱時(shí)間過長，造成表面脫碳嚴(yán)重；未完全清除原材料表面存在的缺陷，由于彈簧的最大應(yīng)力發(fā)生在彈簧的表層，彈簧的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)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(jié)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(yù)防措施：1）彈簧材料：在加工之前首先對(duì)原材料進(jìn)行復(fù)審，檢驗(yàn)合格之后在進(jìn)行加工，經(jīng)表面質(zhì)檢無缺陷后方可進(jìn)行下料作業(yè)。2）制造方法：在彈簧卷制及熱處理過程中，應(yīng)盡量采用控制氣氛爐，以實(shí)現(xiàn)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(yīng)力，也可以將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為有利的參與壓應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞強(qiáng)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(duì)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(chǎn)品，比如超聲波檢測法或者渦流檢測法。 維護(hù)維修：對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)疲勞損傷的構(gòu)件，我并沒有找到一個(gè)有效的方法來從根源上對(duì)彈簧進(jìn)行修復(fù)，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(fù)退火來延長其疲勞壽命，據(jù)資料顯示在550°C下進(jìn)行修復(fù)，最多可延長其疲勞壽命到兩倍。在退火過程中，儲(chǔ)存在彈簧中的應(yīng)變能會(huì)釋放出來作為驅(qū)動(dòng)力，使結(jié)構(gòu)的微觀狀態(tài)向更穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。特別是碳化物的轉(zhuǎn)