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:某公司生產的氣門彈簧在用戶安裝使用幾小時后即發生早期斷裂。采用宏觀觀察、微觀分析、金相檢驗及硬度測試等方法對氣門彈簧的早期斷裂原因進行了分析。結果表明: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展,從而造成氣門彈簧早期疲勞斷裂。

關鍵詞:氣門彈簧;早期斷裂;折疊裂紋;交變載荷;應力集中中圖分類號:TG115.2文獻標志碼:B文章編號:1001-4012(2021)04-0055-0

某公司生產的氣門彈簧,用戶安裝使用幾小時后 即 發 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,總圈數10.1圈,有效 圈 數8.1圈,旋 向 為 右 旋,設計最大應力為839.8MPa,疲勞壽命要求為3×107周次。該氣門彈簧的生產工藝流程為:原材料(油淬火回火態)→卷簧→回火→磨簧→噴丸→立定處理→清洗上油→包裝。筆者對該早期斷裂彈簧進行了檢驗和分析,以期類似事件不再發生。

1理化檢驗

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 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。斷裂源區宏觀形 貌 如 圖3所 示,位 于 彈簧內側。

1.2微觀分析

采用掃描電鏡觀察彈簧斷口及表面情況,在斷裂源區可以清楚地看到有發散條紋起源于裂紋兩側;觀察斷口表面,發現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現其有明顯加工缺陷。

1.3金相檢驗

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。在拋光狀態下觀察裂紋情況,可見裂紋從彈簧表面起源,總長度約0.3mm,裂紋兩側存在氧化脫碳現象,如圖6所示。金相試樣經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,沒有明顯的脫碳現象,如圖8所示。

1.4硬度測試

使用顯 微 硬 度 計 測 試 彈 簧 硬 度,測 試 結 果 見表1。彈簧的平均硬度為541.6HV1。

2分析與討論

通過對斷裂彈簧的顯微組織和表面脫碳情況進行分析可知,彈簧的顯微組織正常,硬度測試結果表明彈簧的硬度符合圖紙要求。在斷裂源區存在明顯的裂紋,根據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°,裂紋開口處及兩側存在氧化脫碳現象,證實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。因鋼絲淬火加熱時間較短,故氧化脫碳較輕微。裂紋應在鋼材軋制過程中產生,而與鋼絲拉拔廠的后續加工過程無關。鋼絲廠生產線中無渦流探傷設備未能檢出有裂紋缺陷的鋼絲,造成不良產品的流出。追溯分析引起材料表面折疊裂紋的原因,供應商分析確認是由于導輥卡死和異常磨損,進口導衛扶持不住,軋件發生扭轉,在孔型中發生單邊過充滿導致的折疊缺陷。該彈簧表面由于存在折疊缺陷而造成應力集中,加上該彈簧為高強度彈簧鋼絲,對應力集中敏感性較強,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展,從而造成彈簧早期疲勞斷裂[2]。

3結論及建議

該氣門彈簧發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展,從而造成彈簧早期斷裂失效。

來源：材料與測試網