【失效分析】弹簧断裂案例分析

08月,26,2022 | 浏览次数：33809

样品信息及问题描述

客户某款弹簧之制程为：弹簧折弯成型→450℃烘烤30min→喷丸处理。其疲劳寿命设计为100万次。在疲劳寿命测试18万次后发生断裂，试样如图1所示。委托实验室对断裂弹簧进行分析，找到断裂原因，方便现场改善。

测试结果 

弹簧化学成分结果如表1所示，可见根据JIS G3561-1994，供应商提供的产品符合SWOSC-V的成分规格。

                                                       表1-弹簧钢成分测试结果

化学成分	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Fe
含量%	0.58	1.3	0.69	0.0066	0.0073	0.69	0.0059	-
SWOSC-V JIS G3561-1994	0.51-0.59	1.20-1.60	0.50-0.80	≤0.025	≤0.025	0.50-0.63	≤0.25	-

断口清洗后，对断口SEM形貌观察+EDS成分分析，结果如图2~3及表2所示，可以发现：

●断口形貌分为裂纹源、扩展区、瞬断区三部分，未发现疲劳断裂的贝纹线；
●裂纹源分布于试样表层，外形疑似为粒状固体颗粒，最大深度 ~41 μm，宽度 ~130 μm，其成分主要为Fe、Cr、Si、O、Ca等，可能是冷拉拔润滑剂、钢丝氧化皮与灰尘的混合物；
●扩展区呈现为解理形貌，为典型的脆性断裂；
●瞬断区呈现韧窝形貌，为韧性断裂。

                                  表2-EDS成分分析结果（wt%）

Spectrum	C	O	Na	Si	S	Ca	Cr	Mn	Fe	Total
1	8.23	38.99	0.57	1.27	0.96	0.92	1.51	/	47.54	100
2	10.58	50.78	/	1.21	0.16	0.79	1.26	/	35.22	100
3	5.07	/	/	1.26	/	/	0.73	0.72	92.21	100
4	5.12	1.74	/	1.39	/	/	0.69	0.70	90.36	100

对断裂试样断口附近表面SEM形貌进行观察，结果如图4~5及表3所示，可见：
●断裂试样表面裂纹源位置呈现为麻坑状，其成分主要为Fe、Cr、Si、O、Ca；
●断裂试样远离断口位置也存在一些较小麻坑，麻坑内部填充异物；异物成分与裂纹源异物成分近似，可能两者的来源一致。

                                表3-EDS成分分析结果（wt%）

Spectrum		C	O	Si	S	Ca	Cr	Fe	Total
A	1	7.27	38.00	1.18	0.13	0.81	1.43	51.19	100
	2	5.31	7.49	1.30	/	0.39	0.69	84.82	100
B	1	6.17	43.03	0.38	/	0.49	/	49.93	100
	2	6.03	8.29	1.33	/	0.78	0.71	82.87	100
	3	5.89	26.55	0.67	/	0.73	2.09	64.07	100

对试样夹杂物形貌进行观察，结果如图6所示，可见：
●靠近断口位置与远离断口位置的夹杂物较少，均为D 1.0级。

对断裂试样的金相形貌进行观察，结果如图7所示，可见：
●试样表层未发现脱碳层；
试样表层组织与芯部组织一致，均为回火屈氏体+少量铁素体。

对断裂试样表层与芯部维氏硬度进行测量，结果如表4所示，可见：

●试样的芯部与表层硬度近似，都在590~600HV。

                                表4-断裂试样维氏硬度测试结果

断裂试样	表层	芯部
HV 0.3	599	593

验证

对断裂试样表面及远离断口位置进行表面形貌及切片进行观察，结果如图8所示，可以发现：

●断口位置与远离断口位置都有一些麻坑，但断口位置的麻坑明显较大；
●试样表面分布着深度为10~20μm之间的麻坑。

分析讨论 

客戶弹簧用线材材质为SWOSC-V，属阀门弹簧用钢丝，用于高疲劳工况场合。其适用标准JISG3561，除对化学成分/力学性能有要求外，尚对材料的表面状态有严格要求，如总脱碳层深度在丝径的1.5%以下，Φ2线材表面缺陷(如铁皮/铁锈/裂纹/划伤/麻坑和其它有害缺陷)的深度在0.01mm以下。

本案弹簧断口位置的主要表面缺陷为麻坑，缺陷深度高达0.04mm，远超规格要求。缺口位置容易引起应力集中成为断裂的裂纹源。在服役过程中裂纹逐渐扩展，最终导致零件断裂。

结论 

1.弹簧材质符合JIS G 3561规定对SWOSC-V之化学成分、力学性能要求，美中不中的是金相组织中有少量铁素体；

2.弹簧断口未发现疲劳特征，裂纹源及扩展区显示脆性解理特征，瞬间断裂区显示塑性韧窝特征；
3.样品断口及附近观察到数量较多的麻坑，深度10μm以上，最大深度~40μm，远超规格要求；
4.弹簧钢丝表面麻点易造成应力集中，在服役工况下，成为裂纹源，并逐渐扩展最终导致瞬间断裂；

5.建议弹簧制造部门需依JIS G 3561指引方法重点管控钢丝表面质量。

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