55CrSi钢传动阀弹簧断裂

安装在一传动阀上的弹簧，规格为Φ3.25±0.25mm，原材料为55CrS淬硬钢丝，在服役一段时间后断裂。

该弹簧加工工艺为：卷簧—回火（400±5℃）—压缩—磨平支撑圈面—表面强化处理（抛丸）—回火定型（195±5℃）—表面处理—探伤—检验—包装。

图11-99 所示为该弹簧的安装示意图，断裂弹簧内还嵌套了一个较小的弹簧。

图11-99 弹簧安装示意图    

图11-100所示为断裂弹簧的宏观形貌，可见断口与弹簧绕向约呈45°，断口附近无明显宏观塑性变形。

对断裂面扫描电镜分析，图11-101所示为弹簧断口正面的扫描电镜形貌，可见弹簧表面无明显腐蚀产物；左侧断面表面较粗糙，右侧表面较光滑。经微观形貌观察可确定该断口呈疲劳断裂特征，疲劳源区位于弹簧内测（图中A位置）；图中所示B1、B2所示为疲劳裂纹扩展区，根据微观疲劳条带走向可知，疲劳裂纹沿图中箭头方向扩展，裂纹扩展至断面中部脊线附近时，弹簧断裂，图中C区为终断区。

图11-102所示为疲劳源区扫描电镜微观形貌，可见断面呈准解理形貌，边缘有挤压痕迹。

  图11-101  断口正面宏观形貌          图11-102疲劳源区（A1区）微观形貌              

图11-103所示为疲劳源区侧面的宏观形貌，可见弹簧内壁有磨损的痕迹，这可能是大弹簧内侧与小弹簧外侧在服役过程中长期接触造成的。

图11-104、图11-105所示为疲劳扩展区微观形貌，可见一系列间距约为2μm的疲劳条带，根据疲劳条带走向可判断疲劳裂纹的扩展方向（疲劳裂纹的扩展方向应与疲劳条带方向垂直）。

图11-106、图11-107、11-108所示为最终断裂区的微观形貌，可见一系列剪切韧窝与等轴韧窝。

                图11-103疲劳源区侧面形貌

金相检测，图11-109为失效弹簧的非金属夹杂物金相照片，根据《GB/T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准》评定为D类（球状氧化物夹杂）细系0.5级。

图11-109   弹簧夹杂物

图11-110为失效弹簧断口附近表层的金相组织，可见表面有半脱碳，脱碳层深度约25μm。图11-111为失效弹簧心部金相组织，为回火屈氏体，变形组织明显。

图11-110  弹簧表面金相组织            图11-111弹簧心部金相组织

对失效弹簧进行硬度梯度检测，弹簧表面由于脱碳，硬度较低，心部硬度高于技术要求。结果见图11-112 所示，

对失效弹簧进行化学成分分析，化学成分分析结果，弹簧材质符合55SiCr钢的要求 。

该弹簧材料合格，非金属夹杂物满足标准要求。弹簧采用淬硬钢丝加工，加工弹簧后进行退火处理，未进行淬火，表面脱碳只能是原材料带来的。

由于弹簧表面脱碳，致其疲劳强度降低。弹簧在加工过程中回火温度低或回火时间不够，致其弹簧硬度高。

大弹簧内侧与小弹簧外侧在服役过程中长期接触，造成了弹簧内壁磨损，内壁磨损处为疲劳源区。

弹簧断面有明显的疲劳条带，为疲劳断裂，疲劳条带间距较窄；疲劳源位于弹簧内侧表面内壁磨损处，疲劳扩展区约占整个断面面积的一半。

由于大弹簧内壁磨损，内壁磨损处为疲劳裂纹源区；又因为弹簧表面脱碳，在服役过程中，弹簧受交变应力作用，裂纹很容易疲劳扩展。心部硬度高,弹簧存在较高内应力，使疲劳裂纹扩展至整个断面面积的一半时，弹簧疲劳断裂。

由于该弹簧表面有原材料脱碳，使弹簧表面硬度低；热处理不当造成心部硬度高，在服役过程中弹簧内壁磨损，内壁磨损处为裂纹源区，弹簧在交变应力作用下，本身存在质量问题，使裂纹很容易疲劳扩展，最后疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）弹簧的断裂属于疲劳断裂。

（2）引起弹簧疲劳断裂的原因是弹簧本身存在质量问题，弹簧内壁磨损处为裂纹源区，在交变应力作用下，裂纹疲劳扩展最后疲劳断裂。

（3）弹簧投料前应进行原材料检查，存在质量问题的原材料不投产。

（4）弹簧在热处理过程中应按工艺进行，并控制弹簧硬度满足工艺要求。

（5）对配合使用的大、小弹簧，要控制加工尺寸和装配尺寸，使其满足工艺要求。