高強(qiáng)度彈簧的延遲斷裂

1、高強(qiáng)度彈簧的高強(qiáng)度彈簧的延遲斷裂延遲斷裂東北特殊鋼集團(tuán)大連鋼絲制品有限公司徐效謙摘要：本文介紹了國內(nèi)外關(guān)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(chǎn)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(qiáng)度彈簧在低于屈服極限的應(yīng)力作用下，經(jīng)過一段時間后突然發(fā)生的脆斷。延遲斷裂是高強(qiáng)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(chǎn)

2、生延遲斷裂條件有1：(1)使用應(yīng)力≥1200MPa，也就是說產(chǎn)生延遲斷裂的門坎值是1200MPa；(2)斷裂產(chǎn)生于拉應(yīng)力最大處，壓應(yīng)力一般不會產(chǎn)生延遲斷裂；(3)350℃左右低溫回火，往往導(dǎo)致彈簧的延遲斷裂敏感性增大；(4)延遲斷裂多產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行鍍鋅處理。彈簧原高85mm，服役時處于強(qiáng)壓狀態(tài)，彈簧壓縮24mm，同時扭轉(zhuǎn)135，工作應(yīng)力為1500Mpa，動作后彈力釋放，彈簧恢復(fù)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(xué)鍍）→脫H處理（烘烤）→強(qiáng)壓試驗→裝機(jī)。裝機(jī)7個月后進(jìn)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(xué)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(xué)元素進(jìn)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(jìn)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(cè)（照片左側(cè)），因為彈簧壓縮和扭轉(zhuǎn)受力，鋼絲承受的是剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，斷裂處卻是彈簧承受應(yīng)力

5、最大處。裂紋起始和緩慢10μm10μm3結(jié)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(kuò)散系數(shù)降低，局部氫濃度增高，進(jìn)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(xué)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(yīng)力陷阱指鋼材

6、壓力加工和熱處理使的內(nèi)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(diǎn)。應(yīng)力陷阱是可逆性陷阱，應(yīng)力消除后氫陷阱隨之消失。最深的應(yīng)力陷阱往往在承受拉應(yīng)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(yīng)力進(jìn)一步增大，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過結(jié)合力時，鋼中產(chǎn)生微裂紋，隨著氫不斷擴(kuò)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(yīng)力狀況密切相關(guān)，彈簧承受的拉應(yīng)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(chǎn)生延遲斷裂。中、低強(qiáng)度鋼的氫脆和高強(qiáng)度鋼的延遲斷裂造成鋼的力學(xué)性能變化是迥然不同的，氫脆鋼抗拉強(qiáng)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(biāo)的大幅度降低上；延遲斷裂集中體現(xiàn)在鋼的抗拉強(qiáng)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(tuán)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(diǎn)；

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(tuán)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(tuán)”，氫原子氣團(tuán)與鋼中常見的片狀碳原子富集區(qū)相似，結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，可以看成廣義的相。分子氫、氣態(tài)氫化物和氣團(tuán)的擴(kuò)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(yīng)，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(jī)理分析可以看出，防止延遲斷裂應(yīng)從以下幾個方面著手：(1)降低彈簧內(nèi)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?zhǔn)?，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(nèi)部氫含量涉及鋼材生產(chǎn)、彈簧制作和使用維護(hù)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(kuò)氫退火；鋼絲酸洗選用適當(dāng)?shù)木徫g劑，酸洗后涂層前的烘烤等。只要工藝措施得當(dāng)，電爐鋼氫含量一般均可達(dá)到3ppm以下電爐LFVD（或電爐LFRH）鋼的氫含量可達(dá)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(jìn)行酸洗和去氫處理（200～250℃不少于4h的烘烤），然后再進(jìn)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