65mn弹簧疲劳断裂失效分析

第４５卷 第５期金　属　制　品２０１９年１０月　Ｖｏｌ ４５ Ｎｏ ５ＭｅｔａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＯｃｔｏｂｅｒ２０１９ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－４２２６．２０１９．０５．０１０
６５Ｍｎ弹簧疲劳断裂失效分析
周斌斌，　廖　建，　彭　凯
（新余新钢金属制品有限公司，　江西　新余　３３８００４）
摘要：６５Ｍｎ弹簧钢丝生产的拉簧服役几个月后发生断裂。

采用ＳＥＭ扫描电子显微镜对弹簧断口表面进行形貌、金相组织等检测，对弹簧断裂原因及断裂过程进行分析。

结果表明，弹簧断口为疲劳失效断口，疲劳源处表面微裂纹是引起疲劳裂纹萌生的直接原因，表面微裂纹则是由不良抛丸工艺造成的。

弹簧厂通过更换新钢丸并降低抛丸速度消除了疲劳性能不符合要求的情况。

关键词：弹簧钢丝；拉簧；疲劳断裂；金相组织；裂纹；失效分析
中图分类号：ＴＧ１４２．７１ 文献标识码：Ａ
Ｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ６５Ｍｎｓｐｒｉｎｇ
ＺｈｏｕＢｉｎｂｉｎ，ＬｉａｏＪｉａｎ，ＰｅｎｇＫａｉ
（ＸｉｎｙｕＸｉｎｓｔｅｅｌＭｅｔａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｙｕ３３８００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｕｌｌｓｐｒｉｎｇｏｆ６５Ｍｎｓｐｒｉｎｇｓｔｅｅｌｗｉｒｅｂｒｏｋｅａｆｔｅｒｓｅｖｅｒａｌｍｏｎｔｈｓ’ｓｅｒｖｉｃｅ．ＴｈｅＳＥＭｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｐｒｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｓｐｒｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｃａｕｓｅｓａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅａｎａ ｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｐｒｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅｆｒａｃｔｕｒｅ，ａｎｄｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｃｒａｃｋａｔｆａｔｉｇｕｅｓｏｕｒｃｅｉｓｄｉｒｅｃｔｃａｕｓｅｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｂａｄｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｓｐｒｉｎｇｆａｃｔｏｒｙｅｌｉｍｉ ｎａｔｅｓｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｙｒｅｐｌａｃｉｎｇｎｅｗｓｔｅｅｌｓｈｏｔａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｓｈｏｔｂｌａｓｔｉｎｇｓｐｅｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｒｉｎｇｗｉｒｅ；ｔｅｎｓｉｏｎｓｐｒｉｎｇ；ｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｒａｃｋ；ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ
弹簧作为蓄能部件以实现特定动作或缓冲过程，压簧能在压力变化时压缩和恢复，如汽车减振、自动伞打开动作和冲压设备上的模具簧，拉簧在受拉时积蓄返回原位置的能量，如汽车制动系统的回位簧等，还有扭簧、卡簧等，也是利用弹性能量实现一定的动作或定位。

部分弹簧工作在频繁变化的应力下，时间长可能会出现疲劳失效，弹簧失效意味着设备的失效。

如果疲劳寿命低于要求就会出现产品质量责任问题，尤其是在产品质量法及汽车召回制度的要求下，弹簧厂对弹簧疲劳寿命更加重视。

弹簧的失效主要分为断裂、松弛和变形３类，其中断裂失效最常见，危害性最大。

断裂失效又分为脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀疲劳、应力腐蚀断裂以及氢脆等，其中疲劳断裂为断裂失效的主要形式。

引起弹簧疲劳失效的主要因素有材料、制造工艺和服役环境等，而制造工艺缺陷引起的失效在弹簧失效中占有较大比重［１－２］。

１　分析试验
１．１　断口宏观形貌
客户采用ＧＢ／Ｔ４３５７—１９８９Ｃ组６５Ｍｎ ８．０ｍｍ碳素弹簧钢丝加工的一款汽车坐垫弹簧，装配并服役几个月后发生断裂，断裂的弹簧如图１所示。

从图１可以看出，弹簧表面经过抛丸处理，断口在弹簧弯钩环扭处，整个弹簧表面除局部锈蚀外，未见其他明显
缺陷。

图１　６５Ｍｎ弹簧断裂样品
Ｆｉｇ．１　６５Ｍｎｓｐｒｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｓａｍｐｌｅ
采用体视显微镜对断口进行观察，断口宏观形貌如图２所示。

由图２可以看出，断口处有明显的疲劳扩展纹，可判断断口为疲劳失效断口。

图２圈
　第５期周斌斌，等：６５Ｍｎ弹簧疲劳断裂失效分析
出的区域靠近表面位置为裂纹源，在弹簧弯钩处的内侧。

较平的浅色区为裂纹扩展区，有水纹状痕迹，约占钢丝横截面积的２０％。

上部深色区为失稳断裂区。

疲劳源区无目视可见缺陷。

另外，断口
疲劳扩展区和最终断裂区均存在锈斑，由于该锈斑无明显分布规律，且存在于新鲜断裂面上，可以判断该锈斑为弹簧断裂后产生的锈蚀，与疲劳断裂
无关。

ａ）弹簧疲劳断口形貌；　ｂ）疲劳源区形貌；　ｃ）疲劳源弹簧内侧面；　ｄ）断口疲劳源边缘处
图２　断口宏观形貌
Ｆｉｇ．２　Ｍａｃｒｏｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ
１．２　断口微观形貌
为了便于进行断口形貌观察，使用分析纯盐酸和水按１∶１比例混合后加入１％甲醛配制成的化学试剂将断面上产生二次锈色污染去除。

然后采用ＳＥＭ扫描电镜进行断口观察和分析。

对断口疲劳源处进行观察，在疲劳源处发现一条微裂纹，如图３所示。

同时对弹簧断口附近表面凹坑进行观察，也发现类似的微裂纹，如图４所示。

弹簧最后的断裂面为解理形貌，如图５
所示。

图３　疲劳断口起源处的微裂纹Ｆｉｇ．３　Ｃｒａｃｋｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅ
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金 属 制 品第４５
卷
图４　弹簧表面凹坑处微裂纹 图５　断裂面解理形貌 Ｆｉｇ．４　Ｃｒａｃｋｏｆｓｐｒｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｇ．５　Ｆｒａｃｔｕｒｅｃｌｅａｖａｇｅｐａｔｔｅｒｎ
１．３　金相分析
在弹簧断口附近区域进行横截面和纵截面取样，采用体积分数４％的硝酸酒精溶液侵蚀，采用金相显微镜对其金相分析。

对断口附近的横截面样品金相
观察，结果如图６所示。

由横截面金相照片可见，弹簧表面产生了较严重的形变组织，变形处可见微裂纹，且微裂纹处未见氧化物，可以确定裂纹并不是原材料造成的，
这种裂纹在弹簧疲劳失效前已经存在。

图６　断口横截面金相照片
Ｆｉｇ．６　Ｆｒａｃｔｕｒｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｐｈｏｔｏ
取断口附近纵截面样品做金相分析，如图７所示。

断口处金相组织主要为拉拔态索氏体及少量的珠光体和铁素体，未见异常组织，所以初步断定不是因为材料原因造成疲劳失效。

２　分析与讨论
从弹簧断口宏观形貌及弯钩受力特点可以分析判定该汽车用６５Ｍｎ弹簧断口为疲劳失效断口，是起源于弹簧弯钩处内侧的疲劳失效，断面无目视可
见缺陷。

经过扫描电镜观察，疲劳源处有微裂纹，且在疲
（下转第４７页）
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　第５期杨卫东，等：帘线钢轧制过程中脱碳的演化
脱碳层不均匀。

参考文献
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［１１］　王丽萍，柳洋波，张玮，等．６０Ｓｉ２Ｍｎ弹簧钢全脱碳
的影响因素［Ｊ］．金属热处理，２０１４，３９（３）：７－１２．
（收稿日期：２０１９－０７－１８）
作者简介
杨卫东　１９６８年生，首钢工学院冶金安全环保学院教授。

李铁军　１９７０年生，首钢工学院冶金安全环保学院副教授。

梁苏莹　１９８４年生，首钢工学院管理学院讲师。

李　琳　１９６７年生，首钢工学院冶金安全环保学院副教授櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄。

（上接第４２
页）图７　断口纵截面金相照片
Ｆｉｇ．７　Ｆｒａｃｔｕｒｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｐｈｏｔｏ
劳源附近的抛丸面上也发现同样的裂纹，微裂纹处均存在严重形变组织，无明显氧化物，同时抛丸凹面处也存在微裂纹。

因此判断弹簧表面抛丸区域发现微裂纹是引起疲劳失效的关键因素。

拉簧工作时，拉钩的内侧面会同时受到拉应力和扭应力，而且最大应力出现在钢丝次表面，弹簧表面如果有微裂纹，
易成为疲劳源［３］。

拉簧弯钩环扭弯处为弹簧的薄
弱处，在表面存在微小裂纹时，疲劳源易在此处产生。

该弹簧的生产工艺：卷簧→回火→抛丸→回火，疲劳失效与材料无关，与存在于解理面及抛丸凹坑处的微裂纹有关，因此建议弹簧厂更换新钢丸并降
低抛丸速度，实际操作结果消除了疲劳性能不符合
要求的情况。

３　结语
６５Ｍｎ弹簧样品断裂于弹簧弯钩处，属于疲劳失效断裂。

经过分析和调整抛丸工艺证实抛丸工艺不当是疲劳失效的根本原因。

弹簧厂通过更换新钢丸并降低抛丸速度消除了疲劳性能不符合要求的情况。

但未深入探讨抛丸参数与微裂纹的关系，今后可深入研究抛丸裂纹与钢
丸和抛丸参数，以及裂纹大小与疲劳失效的关系。

参考文献
［１］　李波，徐伟，陈雷波，等．５０ＣｒＶＡ钢弹簧断裂分析［Ｊ］．
失效分析与预防，２０１４，９（３）：１５８－１６１．
［２］　李莹，侯学勤，陶春虎．６５Ｍｎ钢弹簧的表面缺陷分析
［
Ｊ］．金属热处理，２０１１，３６（１０）：９５－９７．［３］　吴小良，郑开宇，王炜．弹簧早期失效影响因素分析及
预防措施［
Ｊ］．物理测试，２０１６，３４（３）：２８－３１．（收稿日期：２０１９－０５－１５）
作者简介
周斌斌　１９８４年生，工程师，新余新钢金属制品有限公司技
术中心常务副主任。

廖　建　１９８８年生，工程师，新余新钢金属制品有限公司钢
丝厂技术经理。

彭　凯　１９９０年生，工程师，新余新钢金属制品有限公司钢
丝厂质量主管。

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