弹簧疲劳断裂案例分析

弹簧疲劳断裂案例分析
一·引言
现代工业社会的不断进步，人类生活质量不断提高，对工业产品各项功能的“安全性”、“环保型”、“舒适性”程度要求越来越高。

弹簧作为工业产品中不可缺少的基础元件，弹簧的性能直接关系到工业产品整体的质量水平的高低。

关于弹簧的问题中，经常碰到和最终要解决的问题是“弹簧疲劳断裂及应力松弛”。

这是弹簧工作过程中失效的两种主要形式。

弹簧工作中后者更为普遍。

应力松弛及弹性衰减的现象意味着弹簧弹性功能的部分丧失，甚至全部丧失。

由此可见，提高弹簧疲劳寿命研究应力松弛和弹性衰退的规律及影响因素，对研制新的弹簧材料及抗应力处理技术，对不断提高企业和行业竞争力，对国民经济的发展，不断提高我国弹簧产品及弹性材料研制的科学技术水平，都有重大意义。

二·弹簧的疲劳断裂
通常疲劳断口是由疲劳源、裂纹扩展区、最后瞬时断裂区三部分组成。

疲劳源有时非常清楚，有时则不清晰。

裂纹扩展区和最后瞬时断裂区则是主要组成部分。

裂纹扩展区的特征：表面比较平滑，是裂纹缓慢扩展、裂纹面相互接触及摩擦造成的结果。

它是一种脆性的断裂特征，裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直。

通常可以用肉眼发现断口上呈现海滩状、贝壳状或年轮状的花样。

可以根据裂纹扩展方向与海滩状条纹相垂直的现象及其曲率半径最小的特征来确定弹簧断裂的疲劳源。

瞬时断裂区特征：疲劳裂纹不断扩展到一定程度后，有效的承载面积不断减少，相应的工作应力逐渐增大，当该应力超过了弹簧的断裂应力时，弹簧就会瞬时断裂。

其特征是断口比较粗糙、凹凸不平。

疲劳断裂的微观特征：疲劳裂纹大多数在晶粒边界、相界、夹杂物和脆性碳化物之间开始生成，然后逐渐向内扩展。

疲劳断口的微观特征主要表现在裂纹扩展区上。

扩展区的主要微观特征是疲劳条带。

疲劳条带有以下特征：①条带的形态是起伏或涟波状；②每一条带代表一次循环载荷；③由条带可以断定裂纹前沿
线在前进时的位置；④条带有脆性和塑性的。

三·案例分析
（1）轿车气门弹簧断裂
①事故描述：气门弹簧是汽车发动机的重要零部件，它不仅控制发动机气门的开闭，还是极为重要的安全部件，故各汽车厂商对发动机气门弹簧的质量都极为重视，内燃机气门弹簧技术条件JB/T 10591-2007要求其台架疲劳试验2300万次不断裂。

某型号轿车在出厂后行驶199km时出现发动机异响、怠速抖动现象，经检查后发现一只气门弹簧断裂。

图为弹簧断口电子显微镜下照片
②原因分析：通过观察可知，断裂源处对应的弹簧表面有一条长轴长为0.82mm、短轴长为0.43mm的近似椭圆的凹坑。

由下图可以发现：
弹簧断痕表面的凹坑中不但没有喷丸迹象，而且存在明显的刮擦痕迹，说明该凹坑并非油淬火回火弹簧钢丝表面存在的凹坑缺陷遗传至此，而是在弹簧制好剐蹭产生的。

同时图中也告诉我们断裂源处弹簧表面有一层覆盖物，该覆盖物起源于凹坑一侧，由此可断定该覆盖物为凹坑位置的金属材料转移至此。

由此可以推断，偶然因素使弹簧受外力冲击刮蹭，形成了上述的凹坑，并在冲击刮擦凹坑底部时产生集中应力。

气门弹簧在服役期间承受交变应力，最大拉应力位于弹簧次表层，而凹坑底部的应力集中和最大拉应力相互叠加作用，造成气门弹簧服役早起在剪切力的作用下，凹坑下面形成疲劳断裂源，并迅速扩展，从而引起早起疲劳断裂。

由于该断裂的原因是使用不当，所以我们以人为该断裂直接从裂纹扩展阶段开始。

教材中解释过，疲劳裂纹的起始阶段占整个疲劳断裂过程的百分之九十的时间，所以气门弹簧的疲劳寿命只剩下了百分之十左右了。

这也不难解释气门弹簧在使用了很短一段时间就会断裂了。

此时影响裂纹扩展的主要因素是应力强度因子K:
K=βS√πa
由公式我们可以因为β是无纲量，所以K的值由a来决定。

随着裂纹的逐渐扩展K值不断增大。

当K=K
时弹簧就会发生断裂。

max
③预防措施：通过对弹簧的化学成分分析，其化学成分符合国家标准要求。

但是在后期加工处理工艺上存在漏洞，缺少喷丸这一工艺环节。

教材中告诉我们喷丸可以有效去除残余应力从而缓解疲劳损伤，延长弹簧的使用寿命。

因为，如果生产厂家能在加工过程中，增加喷丸这一工艺环节则可以有效延长气门弹簧的使用寿命。

但是在这个案例中，由于刮擦导致的弹簧表面出现的凹痕则是导致疲劳断裂的主要原因，所以喷丸工艺只能适当的缓解这一问题。

要从根本解决案例中的疲劳断裂问题，可以通过无损检测的手段来提前挑出有缺陷的零部件，从而提高产品的安全性，减小经济损失。

其中目视法则是最经济的无损检测方法，若想在此基础上提高检测的准确性，磁粉检测和超声波检测也可以被采纳。

④维护维修：此类问题属于人为无意识导致的裂纹损伤，所以发动机不出现异常很难发现其中的裂纹，而当发动机真的发生故障时，一般弹簧已经断裂而无法修复，所以没有一个有效的办法在弹簧没有断裂前进行修复。

(2)转k2转向架弹簧断裂分析
①事故描述：转k2弹簧的工艺流程为：原材料入厂检验→下料→制扁→加热卷制→淬火→回火→一次工艺压缩→端面磨削→喷丸处理→磁粉探伤→二次工艺压缩→终检→浸漆→干燥→存放→交验。

在弹簧制造过程中，由于各种原因，在生产制造过程中一些弹簧由于失效而报废，在送检和抽查过程中发生早期断裂，特别严重的是在装车之后发生断裂。

2005年9月，11家生产转K2弹簧的厂家，其中4家的弹簧在质检过程中折断，弹簧疲劳试验次数为300万次，4家疲劳试验折断的次数分别为68万次，79万次，229万次，249万次。

②原因分析：与上一个案例情况不同，在这个案例中弹簧失效并不是因为人为造成的表面缺陷，在检测之前我们可以大致猜测是因为加工过程工艺出现漏洞，导致弹簧无法通过标准检测。

而从教材中我们得知残余应力对构件的疲劳性能影响很大，同时热处理这道工艺流程会引入残余应力，所以我们应该着重检查热处理过程中存在的问题。

根据文献介绍的资料：弹簧热处理工艺为850°C±10°C，10号机械油冷却，回火工艺为515°C×65min。

通过对断裂弹簧横向金相试样显微组织观测发现，该弹簧有较深的全脱碳+半脱碳层，其深度有0.45mm。

心部金相组织为回火屈氏体，属于正常热处理组织。

全脱碳和半脱碳心部组织
之后我们开始分析断口结构。

断口可以明显被分为三个区域：白亮区，木纹状断裂区和其他部分的快速断裂区。

白亮区可以断定为是疲劳区，其源区位于弹簧内圈表面，下压时位于最大应力点上。

源区可见到由表面向内扩展的显微裂纹，疲劳裂纹就始于微裂纹处。

扩展区平坦，可见到明显的疲劳沟线。

而木纹状断裂区可以明显发现有夹杂物。

这说明木纹断裂区域与杂物有关。

由加工过程及断口分析可以得知，弹簧断裂的成因并非单一工序造成，加工过程中的各主要环节均有不同程度的影响。

弹簧热处理时的淬火加热时间过长，造成表面脱碳严重；未完全清除原材料表面存在的缺陷，由于弹簧的最大应力发生在弹簧的表层，弹簧的表面质量对疲劳强度影响很大，弹簧材料在轧制、拉拔和卷制过程中造成的缺陷往往是造成弹簧疲劳断裂的主要原因。

所以我们可以得出结论弹簧断裂的原因是材料自身的影响（夹杂物过多），弹簧表面存在较深的脱碳层。

③预防措施：1）弹簧材料：在加工之前首先对原材料进行复审，检验合格之后在进行加工，经表面质检无缺陷后方可进行下料作业。

2）制造方法：在弹簧卷制及热处理过程中，应尽量采用控制气氛炉，以实现少无氧化加热。

3）另外还可以在工艺环节中添加喷丸处理，这一过程可以减少有害的残余拉应力，也可以将残余拉应力转化为有利的参与压应力，从而提高弹簧的疲劳强度。

4）在抛丸处理后清理弹簧中夹杂的钢丸，避免造成弹簧接触疲劳断裂。

5）对于弹簧表面问题我们可以通过无损检测的方法提前检测出不合格产品，比如超声波检测法或者涡流检测法。

④维护维修：对于已经出现疲劳损伤的构件，我并没有找到一个有效的方法来从根源上对弹簧进行修复，但是我们可以通过其他手段来延长弹簧的疲劳寿命。

由于弹簧属于钢材料零件，所以我们可以通过修复退火来延长其疲劳寿命，据资料显示在550°C下进行修复，最多可延长其疲劳寿命到两倍。

在退火过程中，储存在弹簧中的应变能会释放出来作为驱动力，使结构的微观状态向更稳定状态转变。

特别是碳化物的转变，延缓了碳化物界面裂纹的产生。

当然退火修复的效果也与疲劳损伤程度有关。

随着损伤程度的增加，形成微裂纹的条件和数量的增加，微裂纹是不可愈合的，修复效果自然就会下降。

除此之外，我们还可以通过中温热静等压方法提高表面硬度和等静残余应压力，延缓微裂纹的萌生或使已经生成的微裂纹闭合。

减少裂纹尖端的有效驱动力，减缓微裂纹的扩展速率。

从而增加疲劳寿命。