高強度彈簧的延遲斷裂

1、高強度彈簧的高強度彈簧的延遲斷裂延遲斷裂東北特殊鋼集團大連鋼絲制品有限公司徐效謙摘要：本文介紹了國內外關于彈簧延遲斷裂的最新研究成果，從分析60Si2MnA60Si2MnA彈簧延遲斷裂實例著手，展示延遲斷裂斷口形貌，找出產生延遲斷裂的原因，指出防止延遲斷裂的途徑。延遲斷裂是指高強度彈簧在低于屈服極限的應力作用下，經過一段時間后突然發(fā)生的脆斷。延遲斷裂是高強度彈簧使用過程中較常見的一種缺陷，近期研究表明延遲斷裂主要發(fā)生在回火馬氏體鋼中，產

2、生延遲斷裂條件有1：(1)使用應力≥1200MPa，也就是說產生延遲斷裂的門坎值是1200MPa；(2)斷裂產生于拉應力最大處，壓應力一般不會產生延遲斷裂；(3)350℃左右低溫回火，往往導致彈簧的延遲斷裂敏感性增大；(4)延遲斷裂多產生于原始奧氏體晶界處，P、S及其化合物在晶界的析出、碳化物在晶界的析出和集聚、氫在晶界的聚集都會增大彈簧延遲斷裂的敏感性。1延遲斷裂實例延遲斷裂實例2以60Si2MnA彈簧的斷裂為例來分析延遲斷裂的斷口形

3、貌和產生原因：用φ4mm鋼絲繞制的螺旋彈簧，為提高耐蝕性能，成形后進行鍍鋅處理。彈簧原高85mm，服役時處于強壓狀態(tài)，彈簧壓縮24mm，同時扭轉135，工作應力為1500Mpa，動作后彈力釋放，彈簧恢復自由狀態(tài)。彈簧制作流程為：彈簧成形→淬火＋回火→酸洗→鍍鋅（電化學鍍）→脫H處理（烘烤）→強壓試驗→裝機。裝機7個月后進行例行檢查，發(fā)現(xiàn)部分彈簧斷裂。在掃描電鏡下觀察失效彈簧的斷口形貌，然后將斷口磨平，在光學顯微下鏡觀察斷口附近的顯微組織

4、。在斷裂的彈簧上取樣，用光譜分析儀對彈簧的化學元素進行全分析，用氣體分析儀對彈簧以及原材料中的氣體H、O含量進行檢驗。彈簧的失效斷口和組織的掃描電鏡照片如圖1、圖2和圖3。圖1彈簧斷口的宏觀形貌圖2彈簧斷口的顯微形貌圖3彈簧斷口的高倍顯微形貌圖4彈簧的斷口處顯微組織圖5彈簧鋼絲的顯微組織從圖1可以看出，彈簧斷裂起源于螺旋彈簧距端部2～3圈處的外側（照片左側），因為彈簧壓縮和扭轉受力，鋼絲承受的是剪切應力和彎曲應力，斷裂處卻是彈簧承受應力

5、最大處。裂紋起始和緩慢10μm10μm3結果。(4)組織陷阱指鋼中晶界、相界、夾雜物與基體交界處和顯微空隙處，落入陷阱中的氫成為不可逆的氫。氫陷阱的存在使氫的溶解度增大，有效擴散系數降低，局部氫濃度增高，進而發(fā)展成裂紋源。組織陷阱的密度和深度主要取決于鋼的化學成分、晶粒度和顯微組織，一般說來，合金鋼的陷阱密度和深度大于碳素鋼；馬氏體鋼陷阱密度最高，奧氏體鋼陷阱密度最低；合金彈簧鋼中索氏體組織陷阱密度最低，深度也最淺。(5)應力陷阱指鋼材

6、壓力加工和熱處理使的內部晶格畸變、位錯堆積、夾雜物的破碎、顯微空洞和微裂紋處成為氫的匯聚點。應力陷阱是可逆性陷阱，應力消除后氫陷阱隨之消失。最深的應力陷阱往往在承受拉應力最大的區(qū)域，溶解于鋼中的氫逐漸向深阱(UB≥58kJmol)匯集，使陷阱處應力進一步增大，當內應力超過結合力時，鋼中產生微裂紋，隨著氫不斷擴散、聚集，裂紋逐漸加長，最終造成鋼材突然斷裂。(6)彈簧鋼氫陷阱的深度與彈簧服役時的應力狀況密切相關，彈簧承受的拉應力增大，陷阱的

7、深度隨之加深。只有在足夠深的陷阱中填充足夠量的氫時才能引發(fā)延遲斷裂，陷阱不夠深或氫填充度不足只能引起氫脆，不至于產生延遲斷裂。中、低強度鋼的氫脆和高強度鋼的延遲斷裂造成鋼的力學性能變化是迥然不同的，氫脆鋼抗拉強度變化不大，但塑性急劇下降，集中體現(xiàn)在斷面收縮率指標的大幅度降低上；延遲斷裂集中體現(xiàn)在鋼的抗拉強度下降上。(7)除固溶態(tài)的氫原子外，鋼中氫以氫分子、氫化物和氣團三種形態(tài)存在。鋼凝固或冷卻過程中析出的氫以分子態(tài)分布在鋼中，稱為白點；

8、氫化物指氫與鋼中組元形成的固態(tài)化合物TiH和氣態(tài)化合物CH4(Fe3C2H2=3FeCH4↑)等；氣團指原子氫在金屬及合金中的晶界和相界形成的類似化合物的形態(tài)，如間隙原子氫偏聚在某些晶界上形成的片狀“氫原子氣團”，氫原子氣團與鋼中常見的片狀碳原子富集區(qū)相似，結構相當穩(wěn)定，可以看成廣義的相。分子氫、氣態(tài)氫化物和氣團的擴散和聚集是造成鋼材氫脆和延遲斷裂的根源。而固態(tài)氫化物，如TiH，因為形成TiH是放熱反應，隨溫度下降，氫在鈦中的溶解度加大

9、，鋼中分布均勻鈦的起到固定氫的作用，對減輕氫脆和防止延遲斷裂是有利的，釩、鉭(Ta)和稀土元素有與Ti類似的作用5。3防止延遲斷裂的途徑防止延遲斷裂的途徑從延遲斷裂的機理分析可以看出，防止延遲斷裂應從以下幾個方面著手：(1)降低彈簧內部氫含量以氣態(tài)存在于鋼中的氫是引發(fā)延遲斷裂的罪魁禍首，防止延遲斷裂首先要降低鋼中氫含量。因為氫原子直徑小，很容易滲入鋼中，控制彈簧內部氫含量涉及鋼材生產、彈簧制作和使用維護的全過程。鋼材降氫的工藝措施包括：

10、煉鋼原輔材料的充分烘烤、爐外精煉、真空脫氣處理；鋼坯緩冷、擴氫退火；鋼絲酸洗選用適當的緩蝕劑，酸洗后涂層前的烘烤等。只要工藝措施得當，電爐鋼氫含量一般均可達到3ppm以下電爐LFVD（或電爐LFRH）鋼的氫含量可達到1.5ppm以下。彈簧制作過程滲氫主要發(fā)生在淬回火后的酸洗和鍍層工序，一般主張彈簧淬回火后先進行酸洗和去氫處理（200～250℃不少于4h的烘烤），然后再進行電鍍。為提高耐腐蝕性能，彈簧常用鍍層有電鍍鋅和電鍍鎘兩種。電鍍鋅加