氣門彈簧早期斷裂原因

聶 (浙江美力科技股份有限 輪 公司,紹興 312000)

摘 要:某公司生產(chǎn)的氣門彈簧在用戶安裝使用幾小時(shí)后即發(fā)生早期斷裂。采用宏觀觀察、微 觀分析、金相檢驗(yàn)及硬度測(cè)試等方法對(duì)氣門彈簧的早期斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:氣門彈簧 表面存在折疊裂紋缺陷,該缺陷是在原材料軋制過程中產(chǎn)生的。在交變載荷作用下,折疊裂紋尖端 的延伸部分成為疲勞裂紋源并不斷擴(kuò)展,從而造成氣門彈簧早期疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞:氣門彈簧;早期斷裂;折疊裂紋;交變載荷;應(yīng)力集中 中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)04-0055-0

某公司生產(chǎn)的氣門彈簧,用戶安裝使用幾小時(shí) 后 即 發(fā) 生 了 早 期 斷 裂,該 氣 門 彈 簧 的 材 料 為 VDCrSi彈簧鋼,線徑為5.2 mm,總?cè)?shù)10.1圈, 有效 圈 數(shù) 8.1 圈,旋 向 為 右 旋,設(shè) 計(jì) 最 大 應(yīng) 力 為 839.8MPa,疲勞壽命要求為3×10 7 周次。該氣門 彈簧的生產(chǎn)工藝流程為:原材料(油淬火回火態(tài))→ 卷簧→回火→磨簧→噴丸→立定處理→清洗上油→ 包裝。筆者對(duì)該早期斷裂彈簧進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析, 以期類似事件不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察 

斷裂氣門彈簧 的 宏 觀 形 貌 如 圖 1 所 示,斷 裂 位置位 于 距 離 右 側(cè) 端 頭 第 4 圈 和 第 5 圈 之 間。 在體視顯 微 鏡 下 觀 察 斷 口,形 貌 如 圖 2 所 示,可 見有放射紋路收斂 于 鋼 絲 表 面 的 裂 紋 處,為 單 一 斷裂源。斷裂源區(qū)宏觀形 貌 如 圖 3 所 示,位 于 彈 簧內(nèi)側(cè)。

1.2 微觀分析 

采用掃描電鏡觀察彈簧斷口及表面情況,在斷 裂源區(qū)可以清楚地看到有發(fā)散條紋起源于裂紋兩 側(cè);觀察斷口表面,發(fā)現(xiàn)有一條沿鋼絲軸向開裂的裂 紋與斷口相連,如圖4和圖5所示。其他斷口附近 表面未發(fā)現(xiàn)其有明顯加工缺陷。 

1.3 金相檢驗(yàn) 

在斷口附近取金相試樣,分析裂紋情況及其橫 截面顯微組織形貌。在拋光狀態(tài)下觀察裂紋情況, 可見裂紋從彈簧表面起源,總長(zhǎng)度約0.3mm,裂紋 兩側(cè)存在氧化脫碳現(xiàn)象,如圖6所示。 金相試樣經(jīng)3%硝酸酒精溶液浸蝕后置于蔡司 金相顯微鏡下觀察,可見試樣的顯微組織為回火屈 氏體,如圖7所示。彈簧表面顯微組織正常,沒有明 顯的脫碳現(xiàn)象,如圖8所示。

1.4 硬度測(cè)試

使用顯 微 硬 度 計(jì) 測(cè) 試 彈 簧 硬 度,測(cè) 試 結(jié) 果 見 表1。彈簧的平均硬度為541.6HV1。 

2 分析與討論

通過對(duì)斷裂彈簧的顯微組織和表面脫碳情況進(jìn)行分析可知,彈簧的顯微組織正常,硬度測(cè)試結(jié)果表 明彈簧的硬度符合圖紙要求。 在斷裂源區(qū)存在明顯的裂紋,根據(jù)斷口附近鋼 絲表面觀察到的裂紋形貌判斷該裂紋為折疊裂紋。 在 斷 口 附 近 取 金 相 試 樣 分 析,裂 紋 深 度 約 為 0.3mm。從裂紋微觀形貌來看,裂紋開裂部位由表 及里,裂紋與表面約成45°,裂紋開口處及兩側(cè)存在 氧化脫碳現(xiàn)象,證實(shí)為原材料表面折疊裂紋[1]。鋼 材在鋼廠熱軋成盤條后供鋼絲加工廠進(jìn)行冷拔、淬 火回火熱處理制成油淬火鋼絲。裂紋開口處的氧化 脫碳說明裂紋在鋼絲淬火加熱前就存在了。因鋼絲 淬火加熱時(shí)間較短,故氧化脫碳較輕微。裂紋應(yīng)在 鋼材軋制過程中產(chǎn)生,而與鋼絲拉拔廠的后續(xù)加工 過程無關(guān)。鋼絲廠生產(chǎn)線中無渦流探傷設(shè)備未能檢 出有裂紋缺陷的鋼絲,造成不良產(chǎn)品的流出。 追溯分析引起材料表面折疊裂紋的原因,供應(yīng) 商分析確認(rèn)是由于導(dǎo)輥卡死和異常磨損,進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi) 扶持不住,軋件發(fā)生扭轉(zhuǎn),在孔型中發(fā)生單邊過充滿 導(dǎo)致的折疊缺陷。 該彈簧表面由于存在折疊缺陷而造成應(yīng)力集 中,加上該彈簧為高強(qiáng)度彈簧鋼絲,對(duì)應(yīng)力集中敏感 性較強(qiáng),在交變載荷作用下,折疊裂紋尖端的延伸部 分成為疲勞裂紋源并不斷擴(kuò)展,從而造成彈簧早期 疲勞斷裂[2]。 

3 結(jié)論及建議 

該氣門彈簧發(fā)生早期疲勞斷裂的原因是材料表 面存在折疊裂紋缺陷,而該折疊缺陷是在原材料軋 制過程中產(chǎn)生的。在變載荷作用下,折疊裂紋尖端 的延伸部分成為疲勞裂紋源并不斷擴(kuò)展,從而造成 彈簧早期斷裂失效。 

來源：材料與測(cè)試網(wǎng)