柱塞弹簧断裂分析

李晓超 曹蕾 陈摇 陈凌云 刘超

摘 要：柱塞弹簧在使用过程中断裂。为分析弹簧失效的原因，对故障件进行了外观检查、电镜观察、硬度检测和金相分析。结果表明：柱塞弹簧的失效模式为疲劳断裂，而导致弹簧疲劳断裂失效的主要原因是弹簧内圈表面的放电击伤痕迹，柱塞弹簧上未发现与材质有关的缺陷。

关键词：弹簧;疲劳断裂

柱塞弹簧在使用过程中常会出现断裂失效现象，且较高比例的断裂是由于表面缺陷造成。柱塞弹簧材料为50CrV，针对柱塞弹簧在使用过程中断裂的问题，分别对弹簧进行外观检查、电镜观察、硬度检测和金相分析。

1 试验过程与结果

1.1外观检查

断裂弹簧表面呈蓝黑色，断裂发生在弹簧靠一端约1/3位置，弹簧未见明显的塑性变形。断面与弹簧钢丝轴线约呈45度角;弹簧钢丝直径约为1.4mm，符合图纸要求;弹簧内圈表面，断口附近有沿弹簧钢丝轴线方向的擦伤，图1、2

1.2电镜检查

弹簧断口见图3

断口呈银灰色，有少许擦伤，断口未见明显的塑性变形;断口可見疲劳特征，断裂起始于弹簧内圈表面，对源区放大观察，可见断裂起源于弹簧表面的缺陷，图4。

进一步观察弹簧断口，疲劳扩展区可见疲劳条带及二次裂纹特征，见图5;

断口瞬断区为韧窝加准解理特征，见图6。

继续观察断口源区的表面缺陷，见图7，缺陷尺寸约180μm，使用X射线能谱仪分析该缺陷位置的成分，见图8，通过谱图可见，该缺陷位置含有铝元素。而该弹簧的材料是50CrV，不含有铝元素，对弹簧表面其它位置的X射线能谱分析也未见铝元素存在。说明铝元素和断口源区缺陷有关系。

1.3硬度检测

用显微硬度计测量弹簧横截面的显微硬度，并换算成抗拉强度，约为1626MPa，工艺要求为1471MPa～1765 MPa，符合要求。检查弹簧金相组织，见图9，为回火托氏体+碳化物颗粒，是正常的淬火、回火组织，未见脱碳现象。

2 分析与讨论

弹簧断口有疲劳特征，说明该断裂属于疲劳性质。疲劳起源于弹簧内圈表面的缺陷处，该缺陷的能谱分析显示有铝元素存在，而铝的引入很可能是在电抛光工序时，弹簧通过铝丝夹持、通电，两者接触不良或接触时发生振动，引起放电起弧现象，并导致金属转移带来的。当放电发生时，会在瞬间产生高温，致使材料熔化，除材料表面留下痕迹外，还会在熔化层下面形成热影响层，使材料组织和性能发生变化;同时，放电带来的表面拉应力，还会造成零件的疲劳抗力较原来低很多。

3 结论

柱塞弹簧的断裂性质为疲劳断裂，疲劳起源于弹簧内圈表面的放电击伤痕迹，柱塞弹簧上未发现与材质有关的缺陷。