螺旋压缩弹簧断裂分析

钱国强，陈 昕，张韶佳

(中航工业昌河飞机工业(集团)有限责任公司，江西 景德镇 333000)

0 引言

螺旋压缩弹簧号称“簧中王”，在整个工业领域应用十分广泛。50CrVA 弹簧钢具有淬透性好、不易脱碳、表面质量好等优点，广泛用于各种机械[1-3]。为提高弹性零件抗蚀性能和精饰表面，很多弹性零件都要进行表面处理，如发兰、镀锌、镀镉等。但电镀后，弹性零件在装配或使用时，甚至在电镀过程中都有发生断裂的现象，其中镉脆断裂由于具有很大的突发性，危害较大[4-5]。

50CrVA压缩弹簧疲劳试验时发现批次性断裂。失效弹簧主要工艺流程：热处理→磁粉检测→喷丸→镀镉-钛→除氢→镀层检测→疲劳试验。制造指令中对热处理后的弹簧硬度要求为HRC 45～54。对失效件弹簧进行宏、微观观察、金相、能谱及硬度分析，发现其断裂位置及断裂性质基本相同，本研究对其中1件进行详细分析。

1 宏观观察

失效弹簧宏观形貌见图1a，断口位于支承圈与有效圈紧密接触部位。用实体显微镜观察弹簧各圈裂纹情况，断口部位侧表面可见径向裂纹。扫描电镜下观察可见，裂纹长2.996 mm，裂纹中部有一宽0.048 mm、深0.029 mm的椭圆形凹坑，裂纹起源于凹坑部位，宽度由凹坑处向两端逐渐减小。弹簧断裂端支承圈与有效圈接触部位两侧4.4 mm范围内可见较多大小不一的椭圆形凹坑，深0.026～0.033 mm、宽0.033～0.108 mm(图1b)。

失效弹簧断口宏观形貌见图2a。由图2a可见，断口整洁，断面呈灰色，无光泽，断面由径向断口和周向斜劈断口两部分组成，断口附近无塑性变形特征，断面可见粗大的放射棱线，裂纹起源于凹坑处，呈点源特征。

取同批未进行疲劳试验的完好(未镀镉及镀镉)弹簧进行观察及分析，弹簧表面无宏观缺陷；将完好弹簧用切割机进行切割后观察，对比失效件及完好弹簧支承圈、有效圈之间表面情况，结果见图2b。可见，镀镉弹簧两圈紧密接触部位及两侧凹坑较多，未镀镉弹簧相同部位及两侧发现灰黑色斑点痕迹，3件弹簧该部位均无裂纹缺陷。

图1 失效件弹簧形貌Fig.1 Appearance of failed spring

图2 断口宏观形貌及表面形貌对比Fig.2 Macroscopic morphology of fracture and contrast of surface appearance

2 断口微观及金相组织分析

断口经超声清洗后置于扫描电镜下观察，可见：源区处微观特征为沿晶+解理形貌(图3a)；断面扩展区存在较多二次裂纹，微观特征为沿晶形貌(图3b)；沿棱线发散方向观察，径向断口均呈现沿晶特征，周向斜劈断口微观特征为浅韧窝形貌(图3c)。

将弹簧断裂端断口附近沿横截面切割制备金相试样，其组织形貌如图4a所示。金相组织正常，未见冶金缺陷，试样表面可见椭圆形凹坑。从失效件裂纹处横向剖截面制备金相试样，裂纹形貌如图4b、图4c所示。裂纹由外表面向内部扩展，外表面起源处及裂纹两侧附近金相组织正常，无脱碳现象；裂纹无分叉现象，两边耦合性较好，尾部尖锐。

图3 断口显微形貌Fig.3 Microscopic appearances of fracture

图4 失效件截面金相及裂纹显微形貌Fig.4 Cross sectional metallurgical structure of failed part and microstructure of crack

3 成分与硬度分析

将断口清洁后进行能谱分析，源区附近Cd元素含量见图5a，整个径向断面上均有Cd元素能谱显示，含量由源区向断口内部逐渐降低；斜劈断口能谱无Cd元素显示(图5b)。对未镀镉弹簧灰黑色异常区域进行能谱分析，能谱显示该区域O含量较高，无其他异常元素。将失效件裂纹人工打开，清洁后进行能谱分析，结果见图5c，扫描图片显示镉层熔化。

对失效弹簧进行显微硬度检测。依据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》，弹簧硬度要求范围为HV 441～578，实测失效件弹簧硬度位于HV 482～490，符合要求。

4 分析与讨论

该弹簧属螺旋压缩弹簧，根据螺旋弹簧受载时的应力及应变特点，最大应力产生在簧丝截面内侧点，即断口的源区位置点。

由宏观扩展棱线及微观形貌可知，断口起源于支承圈与有效圈紧密接触部位0.029 mm深凹坑处。

弹簧断面由径向断口和斜劈断口组成；断口整洁，断面呈灰色，无光泽；失效件断裂特征为沿晶断裂，斜劈断口微观形貌呈韧窝特征，裂纹由弹簧表面起源，沿径向扩展，扩展到一定程度后沿周向弹簧的变形组织界面快速断裂形成斜劈断口；能谱分析显示整个径向断面含Cd元素，源区存在Cd元素，从源区沿扩展棱线Cd元素含量逐渐降低；失效件弹簧未断裂端存在径向裂纹，由弹簧表面向内部扩展，能谱分析显示径向裂纹断面存在熔化镉层区，扫描电镜下观察到径向断口微观沿晶形貌存在较多二次裂纹；失效件两匹配断口附近无塑性变形特征，可知源区为脆性断裂；综上所述，可判断弹簧断裂性质为镉致脆性断裂。

图5 能谱分析Fig.5 Energy spectrum analysis

镉脆是一种特殊的脆性断裂形式，形成镉脆必须满足3个基本条件[6]，即存在Cd元素、适当的拉应力和较高的温度。弹簧经过表面镀镉处理，再加上弯制成形过程后，簧丝具有一定残余应力，疲劳试验工序中指出：疲劳试验施加载荷应使弹簧达到圈并圈程度，因此受到一定载荷的压应力，前2个镉脆条件已满足。发生镉脆的第3个必要条件是要存在一个较高的温度[7]，从失效件工艺过程来看，整个过程只有除氢工序才有180～200 ℃高温环境，至少23 h。Cd的熔点只有321 ℃，环境温度低于此温度就可以发生镉脆裂纹[8-10]，弹簧除氢温度虽然远低于Cd的熔点，但从图5c镉层形貌及能谱分析可知，除氢确实存在局部超温现象。如果温度超过250 ℃，金属Cd会临界于固、液两态之间，加之弹簧内圈存在较大的拉应力且表面未及时防锈而氧化腐蚀，Cd会以液态甚至原子形式渗入到金属的晶体之间，使弹簧金属晶间结合力明显降低，导致弹簧在外力作用下产生脆断[11]。

金相显微观察失效件裂纹表面起源，裂纹无分叉，无脱碳现象，裂纹两边耦合性很好，尾部尖锐；裂纹两侧金相组织正常，组织无过热特征；因此，裂纹起源于热处理之后、镀层检测工序之前。

失效弹簧均断裂于有效圈第一圈紧密接触部位凹坑处。未进行疲劳试验的完好镀镉弹簧该区域内表面无凹坑，支承圈之间4.4 mm范围内可见较多大小不一的椭圆形凹坑，两圈紧密接触部位及两侧凹坑较多。

同批次未镀镉弹簧支撑圈与有效圈紧密接触部位及两侧能谱显示O元素较高，说明黑灰色斑点痕迹为氧化物，查看弹簧制造指令，热处理后的喷丸、总检无表面防锈操作说明，观察弹簧制造工序，发现喷丸和总检共约2 d时间，对另一批次总检后弹簧进行破坏观察，支撑圈与有效圈紧密接触部位发现锈蚀斑特征；因此，支撑圈与有效圈之间的凹坑起源于喷丸与总检之间的放置时间段，镀镉过程对锈蚀部位的腐蚀促进了凹坑的形成。

综上所述，弹簧的断裂性质为镉脆，喷丸与总检工序中防锈不当而产生的锈蚀是发生镉致脆性断裂的直接原因，镉脆出现在除氢工序。

5 结论与建议

1)弹簧的断裂性质为镉脆；支承圈与有效圈紧密接触部位及两侧有较多凹坑分布，失效件均断裂于支承圈与有效圈之间凹坑处。

2)镉脆出现在除氢工序，弹簧镉脆断裂与除氢过程中超温及喷丸与总检工序中防锈不当而产生的锈蚀有关。

3)在喷丸与总检工序指令后增加防锈处理，并进行严格控制把关；对弹簧整个加工过程中防锈处理进行严格控制，并严格控制除氢工序温度，按时对炉子进行温度校正。