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记录号：JS-AL-其他（弹簧）-044 压缩弹簧断裂分析 摘要：某型弹簧在进行疲劳试验时，60 万次循环后试验弹簧发生断裂，弹簧断裂成两段。本文对弹簧 断裂断口进行了宏、微观检查，并对其组织形貌进行了检查分析，确定了其断裂的性质，并对其故障原 因进行了分析。结果表明，压缩弹簧的断裂性质为疲劳断裂；弹簧表面损伤是弹簧疲劳断裂的主要原因； 压缩弹簧的金相组织正常，弹簧丝表面的脱碳层和弹簧洛氏硬度均在技术要求范围内。 关键词：压缩弹簧；表面损伤；疲劳断裂 材料种类/牌号：弹簧钢/51CrV4 概述 2010 年 10 月，某型弹簧在进行疲劳试验时，60 万次循环后试验弹簧发生断裂，弹簧断裂成两段。 弹簧材料为 51CrV4 。弹簧的自由长度为 307mm，总匝数为 6.86，有效匝数为 4.6 ，中径为 167.5mm， 簧丝直径为 29.5mm 。弹簧工艺为：弹簧丝 970℃加热 45min→绕制成型→870℃淬火，400 ℃回火。弹 簧疲劳试验的受力范围是 31.5kN~14.35kN，振幅为48.33mm ，频率是4Hz 。 本文对弹簧断裂断口进行了宏、微观检查，并对其组织形貌进行了检查分析，确定了其断裂的性质， 并对其故障原因进行了分析。 试验过程与结果 宏观观察 弹簧断对口基本垂直于簧丝轴线方向，在断口上存在两个较大的斜面，断面呈亮灰色，断口磨损较 重，弹簧的宏观形貌见图 1。根据断口的宏观形貌将断口分为A 、B 、C、D 四个区域，如图 1 所示。在 弹簧的断口的边缘可见损伤痕迹，见图 2 。 A 区 C 区 B 区 D 区 图 1 弹簧的宏观形貌 1 B 区的源区 A 区的源区 损伤痕迹 损伤痕迹 （a ）断口A 区边缘的形貌 （b ）断口B 区边缘的形貌 图2 断口边缘的外观形貌的外观形貌 微观观察 将断裂弹簧超声波清洗后放入扫描电镜下进行观察。 断口 A 区 断口 A 区为疲劳断口，其低倍形貌见图 3，从弹簧表面起源，源区是由表面损伤所致，源区高倍见 图4 ，扩展区可见清晰的疲劳条带特征，其形貌见图 5 。 断口 B 区 断口 B 区也为疲劳断口，断口起源于表面，分别向右侧和向下面扩展，向右侧扩展与断口 A 区相 交，断口向下扩展直至弹簧表面，其断口的疲劳形貌特征见图 6 和图 7，断口B 区瞬断区为韧窝特征， 见图 8。 断口 C 区 断口 C 区也为疲劳断口，断口源区磨损较重，几乎成光板状，起源于弹簧表面，扩展区可见较多 二次裂纹特征，见图 9，其疲劳条带形貌见图 10，疲劳扩展后期与断口 A 区交界位置可见疲劳条带与 韧窝的混合特征，其形貌见图 11。 断口 D 区 整个断口 D 区的断裂形貌均为韧窝断裂，其形貌见图 12。在断口边缘可见一条裂纹，其形貌见图 13，裂纹附近呈韧窝特征，见图 14，在裂纹内部可见其特征为韧窝，见图 15。 弹簧丝表面 在弹簧断口附近侧表面可见多条裂纹，见图 16。且在金相检查中局部位置也可见裂纹如图 18 所示， 这些裂纹破坏了弹簧丝表面完整性，易于形成弹簧断裂的疲劳裂纹源。 2 图3 断口 A 区的疲劳特征低倍形貌 图4 断口 A 区的源区高倍形貌 图5 断口