不锈钢扭簧断裂失效分析

李燕，赖云亭，王昭，高振华，高潘

苏州热工研究院有限公司 江苏苏州 215004

1 序言

断裂扭簧为逆止阀阀轴处用于助关的弹簧，如图1a所示，其作用是在阀门关闭过程中辅助加快关闭速度，该弹簧型式为直臂扭转弹簧，直臂长度分别为13mm、50mm，长端直臂匹配阀杆联动，为匹配阀杆形状设置一弯角，约150°，扭簧长支臂作用于阀杆上，在阀门开启、关闭过程中，通过该支臂传递力矩，实物图如图1b所示，断裂位置位于阀板开合过程中扭簧的受力位置。

图1 断裂弹簧所在逆止阀

2 试验过程与结果

2.1 宏观检验

图2所示为断裂扭簧断口清洗前后宏观形貌，断口附近存在轻微塑性变形，表面大致分为两个区域：一是平坦区，表面呈亮灰色，可见放射棱线；二是断口表面粗糙区，与平坦区不在同一平面，与扭簧横截面约呈60°，磨损严重。整个断口表面存在大量淡黄色晶体附着物，利用酒精超声清洗后，在体视显微镜下观察断口表面附着物已完全被清洗掉，说明断口表面淡黄色附着物为弹簧断裂后在系统环境中沉积所致，与断裂本身无关。

图2 断裂扭簧宏观形貌

2.2 化学成分分析

利用手持式X射线荧光光谱仪（无法测定C、Si、P、S等轻质元素，光谱检测结果仅供参考）对断裂扭簧进行光谱分析，结果见表1，其主要合金元素含量接近于国标中的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化马氏体不锈钢。

表1 断裂扭簧光谱检测结果（质量分数） （%）

2.3 金相检验

断裂扭簧取横截面金相试样在金相显微镜下观察，如图3所示。其微观组织为马氏体+少量析出相，且在抛光态下边缘位置存在表面缺陷，最大缺陷深度约为46μm。

图3 断裂扭簧横截面金相照片

抛光态金相样品在扫描电镜下观察，如图4所示，表面均存在折叠缺陷，且表面处理层仍然完整连续，说明表面损伤是原始制造过程中产生的。

图4 扭簧金相样品抛光态SEM照片

2.4 断口微观分析

在扫描电镜下观察扭簧断口，如图5所示，表面平坦区可见明显放射棱线，1区为启裂位置；2、3区均呈沿晶开裂形貌，晶粒轮廓鲜明，晶界面上存在鸡爪纹，属于氢脆的典型特征。心部有一条断续而曲折的锯齿状显微裂纹；4区、5区主要特征为剪切韧窝，由于部分区域磨损严重，结合宏观断口附近的塑性变形特征，判断断口表面粗糙区的主要断裂模式为过载断裂。

图5 弹簧侧断口SEM照片

将扭簧断口样品侧面置于电镜下观察，断口启裂区可见明显碰磨变形，如图6所示。此处应为扭簧在服役过程中反复持续受力所致。与金相样品观察到扭簧表面缺陷一致，在电镜下观察到扭簧表面存在大量龟网纹状表面缺陷。据相关文献资料显示，沉淀硬化型不锈钢弹簧的主要生产过程为不锈钢丝（固溶后酸洗）→冷缠成簧→去毛刺→端部加工→时效强化→表面处理→检验入库[1]。结合扭簧表面形貌观察推测，其表面缺陷应该在表面喷丸之前已经存在，为制造加工过程中所产生，并且扭簧的启裂位置正是表面缺陷与受力重合的位置。

图6 断裂扭簧样品表面缺陷SEM照片

3 分析与讨论

断裂扭簧的化学成分、显微组织及硬度等方面均未见异常，但表面状态检测结果显示存在大量龟纹状表面缺陷，结合金相及扫描电镜分析应为扭簧实际加工制造过程中产生的缺陷。在工程应用中，扭簧对表面缺陷非常敏感，表面缺陷的存在将大大降低其使用寿命[2，3]，根据现场反馈及断口附近SEM观察，断裂位置与扭簧表面最大受力区域重合，启裂区存在碰磨变形以及表面缺陷。

通过对扭簧断口分析认为，扭簧断裂主要经历了两个阶段：第一阶段为氢脆开裂，启裂位置正是表面缺陷与受力重合的位置；第二阶段为过载断裂，当裂纹发展至断面1/2位置后，阀门在定期切换过程中出现冲击载荷，导致扭簧在有效承载面积减小的情况下出现过载断裂。一定程度上来讲表面缺陷促进和加速了扭簧的开裂，由于扭簧安装后一个大修周期内即发生断裂，并且现场调查设备所在环境温度不高，外来引入氢的可能性不高，因此氢的主要来源可能是扭簧加工过程中酸洗等流程引入[3，4]。

4 结论与建议

本次扭簧断裂的主要原因为其在制造过程中存在表面缺陷及除氢不尽所导致。对于新采购扭簧，应确保其各项指标均满足采购标准要求，尤其是对表面缺陷的检查方面，并建议在酸洗、表面处理工艺后应立刻进行除氢处理，同时建议增加阀门扭簧的检查更换周期。