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碟形彈簧裂紋分析

2015-11-20 11:03:00

碟形彈簧裂紋分析

 

王立輝  徐巍

(中國北車集團齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司,黑龍江齊齊哈爾 161002)

 

  摘  要對碟形彈簧裂紋件和原材料,采用金相檢驗、化學分析、硬度試驗、掃描電鏡等手段進行綜合分析。根據蝶形彈簧靜壓後出現開裂這一現象,結合其生產工藝流程以及裂紋起始部位斷口微觀形貌特征,分析認為蝶形彈簧的開裂屬於氫致延遲裂紋。
 

  關鍵詞:碟形彈簧,延遲,裂紋

THE ANALYSIS OF CRACKS ON THE FORM SPRING COILWang Li-hui  Xu  Wei

(CNRQiqihar Railway Rolling Stock(Group)Co.Ltd.Qiqihaer161002,Heilongjian,China)

 

  ABSTRACT:Cracks on the disc spring parts and raw materials, using metallographic examination, chemical analysis, hardness testing, scanning electron microscopy by means of a comprehensive analysis. Butterfly spring under static cracking after this phenomenon, combined with its production process and fracture morphology of crack initiation site characteristics, analysts believe that the spring butterfly belonging to hydrogen-induced delayed cracking cracks.

  KEY WORDSDisc springs, delay, cracks


 1 概況

 

  碟形彈簧在成品件靜壓試驗後,發現碟形彈簧出現裂紋,裂紋是沿徑向分布的,且裂紋率高達30%。經了解斷裂碟形彈簧的材質為:60Si2MnA,工藝路線為:下料→熱衝型(700~750℃圓形)→車內、外園→磨平麵→熱成型(800~850℃/10分鍾)→熱處理→噴砂→靜壓(12小時)→酸洗、磷化(60~70℃)→靜壓試驗(24小時)。
 

    為找出產生裂紋的主要原因,抖奶視頻app官網分析靜壓試驗後有裂紋的碟形彈簧、熱處理前的碟形彈簧、熱處理後的碟形彈簧,並做沒有磷化、酸洗的碟形彈簧24小時靜壓試驗。根據要求,取試樣:一個有裂紋的碟形彈簧成品件(其宏觀形貌見圖1)、一個熱衝形後未經熱處理的碟形彈簧金相試塊(2#試樣)和一個熱處理後的金相試塊(3#試樣)。抖奶視頻app官網在保護好斷口不受汙染的條件下,在斷裂的蝶形彈簧上切取試樣,用於斷口分析、金相組織分析、硬度檢驗和化學成分分析,其取樣部位見圖1。
 

   試樣編號:1-1#、1-2# 斷口試樣及金相試樣;1-3#化學成分和硬度檢驗試樣.


    2#  金相試樣。


  3#  金相試樣。
       
  2 試驗結果

  2.1 化學分析

  在斷裂的碟形彈簧上取樣1-3#,做化學成分分析,分析結果如下:


 

       
 


   2.2 硬度檢驗
 
  在斷裂的碟形彈簧上切取的1-3#做硬度檢驗,其結果如下:
 
  1-3# 試樣:HRC平均值48.5(凹、凸麵合格硬度值範圍:HRC39.5~48.5。

   2.3 金相組織檢

   在斷裂的碟形彈簧上切取的1-1#、1-2#做金相組織檢驗,檢驗結果如下:

   1-1#:試樣夾雜物:A型(硫化物)細2.0級;B型(氧化物)細1.0級。
 
   金相組織:回火屈氏體,帶狀嚴重。
 
   1-2#:試樣夾雜物:A型(硫化物)細2.0級;B型(氧化物)細1.0級。

金相組織:回火屈氏體,帶狀嚴重。

  2#:試樣夾雜物 :A型(硫化物)細1.5級;B型(氧化物)細1.0級。

  金相組織:珠光體+鐵素體,有輕微帶狀,見圖片2。凹表麵有不均勻的全脫碳層,其深度為0.08mm左右,見圖3;凸表麵沒有全脫碳層,但有輕微脫碳,其深度為0.05~0.08mm。
 
  3#:試樣夾雜物:A型(硫化物)細2.5級;B型(氧化物)細1.5級。

  金相組織:回火屈氏體,嚴重帶狀組織,見圖片4。凹凸表麵都有不均勻的全脫碳層,其尺寸為0.04~0.06mm。

 2.4 掃描鏡分析
 
  2.4.1 在蝶形彈簧裂紋處切取1-1#、1-2#試樣,經超聲波清洗,其宏觀斷口:裂紋源處及擴展區平整,顏色發灰,瞬斷區為層狀斷口,無宏觀變形,其宏觀形貌見圖片5。
 
  2.4.2 用掃描電鏡觀察1-1#、1-2#斷口試樣,高倍觀察兩個試樣裂紋源均在彈簧外圓周厚度中間位置(見圖片6),源區為沿晶+準解理斷裂(見圖片7),並有二次裂紋,晶界上除基體元素外沒有發現其它雜質元素;兩個試樣在外圓周麵和凹麵均有分布不均勻的解理麵,見圖片8,9。

  3 分析與討論

 

  3.1 斷裂碟形彈簧試樣化學成分實測值符合標準要求;
 

  3.2 硬度檢驗:斷裂碟形彈簧試樣硬度值符合要求,但偏於上限;
 

  3.3 斷裂碟形彈簧硫化物細小且較多,有部分硫化物在下料熱衝形時被切斷,在碟簧內外圓表麵形成類似於V型開口缺陷。
 

  3.4 金相組織:熱處理前組織為珠光體+鐵素體,略呈帶狀;熱處理後組織為回火屈氏體,呈嚴重的帶狀組織分布。
 

  3.5裂紋起始部位的斷口微觀形貌特征為沿晶+準解理,並有二次裂紋,晶界上除基體元素外沒有發現其它雜質元素,有氫致延遲開裂的特征。外圓周麵和凹麵均有分布不均勻的解理麵是因為碟形彈簧存在不均勻的脫碳層所至。

 

  3.6碟形彈簧經過酸洗,將發生酸水溶液與金屬鐵的電化學反應,該反映是一個析氫過程,析出的氫原子在結合成分子之前很容易浸入碟形彈簧內部,浸入碟形彈簧內部的氫原子在應力作用下將向高應力區擴散,致使碟形彈簧發生氫致延遲開裂。
 

  3.7 靜壓試驗時,根據碟形彈簧的結構特點及應力分布圖得知,碟簧凹麵的外圓周上受力最大。
 

  3.8 對熱處理後、磷化前的碟簧試樣進行24小時靜壓,沒有發現裂紋。看來除氫處理是避免氫致開裂的有效措施。
 

  4 結論與建議
 

  碟形彈簧裂紋件的失效形式為氫脆,屬於氫致延遲斷裂。建議蝶形彈簧酸洗後,及時對其進行除氫處理。

 

  參考文獻:

[1]張英會,劉輝航,王德成.彈簧手冊[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2]李炯輝,施友方,高漢文.鋼鐵金相圖譜[M].上海:上海科學技術出版社,1981.

[3]桂立豐.機械工程材料測試手冊—物理金相卷[M].遼寧:遼寧科學技術出版社, 1999.

 

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