分享：60Si2Mn钢弹簧断裂原因

摘 要:某单元制动缸的缓解弹簧在检修测试过程中发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、 硬度测试、金相检验、扫描电镜分析等方法对该弹簧的断裂原因进行了分析。结果表明:该弹簧加 载后在应力与氢的交互作用下,逐渐形成平整的裂纹源区,裂纹快速扩展,最终发生脆性断裂。 

关键词:单元制动缸;弹簧;60Si2Mn钢;氢脆;断裂 

中图分类号:TG142.1+5                                  文献标志码:B                                    文章编号:1001-4012(2022)07-0053-03

单元制动缸是决定列车运行安全的重要部件, 在其组装完成或定期使用后必须进行测试,以确保 其状态良好。某单元制动缸在定期检修测试过程 中,发现其缓解量不够,经拆解发现其中的缓解弹簧 断裂。弹簧 材 料 为 60Si2Mn 钢,弹 簧 自 由 高 度 为 (165±3)mm,弹簧中径为 90.5 mm,钢丝直径为 6.5mm,有效圈数n=5,弹簧是返修弹簧,为防止 弹簧使用过程中发生锈蚀,在返修过程中对其进行 了电镀锌防锈处理(镀层厚度要求为7~10μm),弹簧原始表面防锈工艺为发黑处理。为查明弹簧 断裂原因,笔者进行了一系列理化检验与分析,以 防止类似事故再次发生。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

对该单元制动缸的断裂弹簧进行宏观观察,其 宏观形貌如图1所示,发现断面均呈不规则状。经 拆卸后发现该缓解弹簧已断裂成了3部分。

1.2 化学成分分析 

按照 GB/T20123—2006《钢铁 总碳硫含量的 测定高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法)》和GB/T20125—2006《低合金钢 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》的要求在断裂 弹簧上取样,采用 CS-200 型 红 外 碳 硫 仪 和ICPS7510型电感耦合等离子发射光谱仪进行化学成分 分析,结果如表1所示,可见弹簧的化学成分符合 GB/T1222—2016 《弹 簧 钢》中 对 60Si2Mn 钢 的 要求。 

1.3 金相检验 

将断 裂 弹 簧 断 口 经 制 样、抛 光、侵 蚀 后,采 用 DMM-480C 型 倒 置 式 光 学 显 微 镜,按 照 GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对其进行分 析观察,试样的显微组织形貌如图2所示。由图2 可知:弹簧基体组织为均匀回火屈氏体,符合技术要 求,试样存在轻微的脱碳现象。脱碳深度检验结果 如表2所示(表中D 为弹簧直径)。由表2可知:弹 簧的总脱碳深度符合技术要求。

1.4 硬度测试 

按照 GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度 试验 第1部分:试验方法》的试验方法,采用 VH5LA 型维氏硬度计测试弹簧的硬度,测试结果如表 3所示。由表3可见弹簧的次表面层硬度已超出技 术要求的上限,心部硬度测试结果也处于技术要求 的上限。 

1.5 扫描电镜分析 

用扫描电镜(SEM)对弹簧断口形貌进行观察, 结果如图3所示。从图3可以看出:断口处未观察 到孔洞、夹杂等冶金缺陷;低倍下可见断口无旧断口 特征,断口处存在较平整的区域 A、明显放射状条纹 (或称撕裂棱)的扩展区域 B 和 C,以及最后断裂剪 切特征的区域 D;A 区为断裂起始区,该区域呈椭圆 型分布,断面平整,其边缘存在明显的放射状应力台 阶,微观形貌为准解理;B 区和 C 区为断裂扩展区, 断口呈现韧性花样,沿由韧窝构成的晶界面扩展,且 存在细小的、发育不完整的韧窝,断口存在明显放射 状应力台阶,微观上为准解理断裂;D区为最后断裂 区,沿着扩展区撕裂棱的裂纹,随着应力的增加,裂 纹相互贯通形成一个贯穿的剪切面,且断口边缘呈 现倾斜断面,微观上为剪切断裂。 

2 综合分析 

上述理化检验结果表明:弹簧的化学成分符合 GB/T1222—2016对60Si2Mn钢的要求;弹簧的次 表面层硬度已超出技术要求的上限(48.0HRC),心 部硬度也处于技术要求的上限;弹簧基体显微组织 为均匀回火屈氏体;弹簧表面存在轻微的脱碳现象; SEM 观察到断口存在平整的断裂起始区,断裂起始 区的微观形貌以准解理为主,部分存在微裂纹特征, 在断裂起始区边缘呈现有明显的放射状应力台阶; 此外,断口还存在明显的快速扩展区和最后断裂的 剪切区;弹簧表面不存在凹陷、孔洞或夹杂物等冶金 缺陷。

 电镀锌工艺在除油、酸蚀、镀锌工序中,均易发 生基体或镀层渗氢,会引起镀层鼓泡和脱皮,甚至产 生氢脆并导致弹簧断裂。在检修过程中对该单元制 动 缸弹簧进行了返修处理,返修过程中采用电镀锌防锈处理,弹簧检修前原始表面防锈工艺为发黑处 理且运行正常,由此可见检修前是没有氢脆现象的。 经确认,该弹簧经电镀锌处理后未进行去氢处理就 投入使用,当其硬度过高时,就会产生氢脆现象,导 致弹簧发生早期断裂[1-2]。 

综上所述:该弹簧在测试加载前并不存在裂纹 源,加载后由于应力与氢的交互作用逐渐形成平整 的断裂起始区(或称裂纹源区),最终导致其发生脆 性断裂[3-6]。 

3 结论与建议 

该单元制动缸的缓解弹簧在加载后,由于应力 与氢的交互作用逐渐形成裂纹源,因此裂纹快速扩 展并最终引发氢脆断裂。

 建议采用低氢脆风险的发黑(发蓝)、磷化方法 对弹簧进行表面防锈处理。同时在恒温电烘箱内进行除氢处理,烘箱配鼓风机,使箱内的温度均匀。温 度和时间参数根据弹簧的硬度、服役情况进行改进。

参考文献: 

[1] 赵江,郝志超,孙俊喜,等.60Si2Mn弹簧断裂原因分 析[J].河北冶金,2020(7):66-69. 

[2] 赵志江,杨宝 利.弹 簧 的 氢 脆 断 裂 特 征 与 原 因 分 析 [J].国防技术基础,2006(8):41-43. 

[3] 周弘.弹簧电镀产生氢脆断裂预防对策[J].电镀与环 保,1994,14(2):37. 

[4] 邱文鹏,常序华,王仁智.圆柱螺旋弹簧氢脆断裂失效 分析[J].金属制品,2007,33(1):24-27. 

[5] 王挺,李振华.镀锌螺钉断裂分析[J].理化检验(物理 分册),2015,51(9):668-670. 

[6] 夏申琳,王刚,杨晓,等.60Si2MnA 钢片弹 簧 断 裂 失 效分析[J].理化检验(物理分册),2015,51(2):129- 131. 

<文章来源   > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 7期 (pp:53-55)>