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压缩弹簧断裂失效分析 李晓明，邵奎祥，孙丽坤 （天津重型装备工程研究有限公司材料检测中心，天津 300457） 摘 要：一支圆柱形螺旋压缩弹簧在使用时发生断裂。应用理化检验手段对此进行取样分析，结果表明，弹簧丝纵向表面裂纹缺 陷和内部较为严重的中心碳偏析缺陷是造成压缩弹簧在使用时发生早期断裂失效的主要原因。 关键词：压缩弹簧；断裂失效；纵向表面裂纹；中心碳偏析缺陷 中图分类号：TG142.41 文献标志码：A Fracture failure analysis of compression springs LI Xiao- ming, SHAO Kui-xiang, SUN Li-kun (Testing and Researching Center of Material; Tianjin Heavy Industries Research Development Co Ltd, Tianjin 300457, China) Abstract : A cylindrical helical compression spring fractures when it is being used. By means of physical testing and chemical analysis, the got samples were analyzed in fractured compression springs. The results show that longitudinal surface cracks and serious central carbon segregation defects in the inner of the spring silk is the main cause of compression spring fractures failure early when it is being used. Key words: compression springs ; fracture failure ; longitudinal surface cracks ; central carbon segregation defects 一支圆柱形螺旋压缩弹簧在某机械装置上使用时发生断裂，断裂部位在弹簧第 10 圈（总圈数为 13.5）处。 该弹簧中径 208 mm、自由高度约 1000 mm，弹簧丝直径Ф32 mm，材质为 60Si2CrVA 钢，热处理工艺为：860～ 880℃淬火，400～460℃回火。为找出弹簧断裂失效的原因，采用金属件失效分析方法和步骤[1]，采用理化检验 等手段对断裂的弹簧进行取样分析。 1 理化检验 1.1 宏观断口观察 弹簧断口面与轴线成 45°角，断口外形略呈螺旋状，具有明显的扭矩断口特征 [2]。 在弹簧断裂部位取样，将断口样依次用苯和无水乙醇清洗后，对比观察发现两个断口只有部分匹配， 中间有一个小断块在弹簧断裂时被崩飞，但不影响对断口的观察和断裂源的确认，其宏观断口形貌见图 1，图 中可见左边断口中放射状形态特征明显，根据放射花样的逆指方向，确认断裂源在弹簧丝表面与弹簧中径线的 相交处，断裂源为一略显凸出，并有一定反光能力的小平面，与基体有明显的分界，在右边匹配断口相同的母 线位置也有一个纵向长形的小平面，也具有相同的反光能力，由此可以确定这两个小平面原本是一体的，为一 小纵向表面裂纹，以其尖端为断裂源，引发弹簧在使用时发生断裂。 图 1 断口宏观形貌 Fig.1 Macro appearance of the fracture 收稿日期：2011-07-18  1.2 微观断口观察 在扫描电镜下观察断口，发现上述纵向裂纹面中部分区域有摩擦的痕迹，其它区域既有因受摩擦的影响 ， 其氧化层呈现较为破碎的形貌特征，见图 2；也有氧化层上有裂纹，但无破碎现象。氧化层主体较为致密，具 有高温氧化生成的形貌特征。能谱分析氧化层，其氧元素峰值较高，见图 3。断口中放射状区域的微观形态呈 韧窝+准解理状[3]。 图 2 断口断裂源区域氧化层破碎的微观形貌 Fig.2 Micrograph of oxidated layer breaked into pieces on the fracture origin zone 1.3 低倍检验 图 3 氧化层元素能谱图 Fig.3 Elemental energy chart of oxidated layer 在断裂的压缩弹簧上取横向试片进行低倍检验 ，结果发现有较为严重的中心碳偏析缺陷和表面轻微的脱碳 现象，见图 4。 10mm 图 4 横向低倍组织形貌 Fig.4 Appearance of hor