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    不銹鋼扭簧斷裂失效分析

    2021-11-25 01:38:10李燕賴云亭王昭高振華高潘
    金屬加工(熱加工) 2021年11期
    關(guān)鍵詞:扭簧掃描電鏡斷口

    李燕,賴云亭,王昭,高振華,高潘

    蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

    1 序言

    斷裂扭簧為逆止閥閥軸處用于助關(guān)的彈簧,如圖1a所示,其作用是在閥門關(guān)閉過程中輔助加快關(guān)閉速度,該彈簧型式為直臂扭轉(zhuǎn)彈簧,直臂長度分別為13mm、50mm,長端直臂匹配閥桿聯(lián)動,為匹配閥桿形狀設(shè)置一彎角,約150°,扭簧長支臂作用于閥桿上,在閥門開啟、關(guān)閉過程中,通過該支臂傳遞力矩,實(shí)物圖如圖1b所示,斷裂位置位于閥板開合過程中扭簧的受力位置。

    圖1 斷裂彈簧所在逆止閥

    2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

    2.1 宏觀檢驗(yàn)

    圖2所示為斷裂扭簧斷口清洗前后宏觀形貌,斷口附近存在輕微塑性變形,表面大致分為兩個區(qū)域:一是平坦區(qū),表面呈亮灰色,可見放射棱線;二是斷口表面粗糙區(qū),與平坦區(qū)不在同一平面,與扭簧橫截面約呈60°,磨損嚴(yán)重。整個斷口表面存在大量淡黃色晶體附著物,利用酒精超聲清洗后,在體視顯微鏡下觀察斷口表面附著物已完全被清洗掉,說明斷口表面淡黃色附著物為彈簧斷裂后在系統(tǒng)環(huán)境中沉積所致,與斷裂本身無關(guān)。

    圖2 斷裂扭簧宏觀形貌

    2.2 化學(xué)成分分析

    利用手持式X射線熒光光譜儀(無法測定C、Si、P、S等輕質(zhì)元素,光譜檢測結(jié)果僅供參考)對斷裂扭簧進(jìn)行光譜分析,結(jié)果見表1,其主要合金元素含量接近于國標(biāo)中的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化馬氏體不銹鋼。

    表1 斷裂扭簧光譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

    2.3 金相檢驗(yàn)

    斷裂扭簧取橫截面金相試樣在金相顯微鏡下觀察,如圖3所示。其微觀組織為馬氏體+少量析出相,且在拋光態(tài)下邊緣位置存在表面缺陷,最大缺陷深度約為46μm。

    圖3 斷裂扭簧橫截面金相照片

    拋光態(tài)金相樣品在掃描電鏡下觀察,如圖4所示,表面均存在折疊缺陷,且表面處理層仍然完整連續(xù),說明表面損傷是原始制造過程中產(chǎn)生的。

    圖4 扭簧金相樣品拋光態(tài)SEM照片

    2.4 斷口微觀分析

    在掃描電鏡下觀察扭簧斷口,如圖5所示,表面平坦區(qū)可見明顯放射棱線,1區(qū)為啟裂位置;2、3區(qū)均呈沿晶開裂形貌,晶粒輪廓鮮明,晶界面上存在雞爪紋,屬于氫脆的典型特征。心部有一條斷續(xù)而曲折的鋸齒狀顯微裂紋;4區(qū)、5區(qū)主要特征為剪切韌窩,由于部分區(qū)域磨損嚴(yán)重,結(jié)合宏觀斷口附近的塑性變形特征,判斷斷口表面粗糙區(qū)的主要斷裂模式為過載斷裂。

    圖5 彈簧側(cè)斷口SEM照片

    將扭簧斷口樣品側(cè)面置于電鏡下觀察,斷口啟裂區(qū)可見明顯碰磨變形,如圖6所示。此處應(yīng)為扭簧在服役過程中反復(fù)持續(xù)受力所致。與金相樣品觀察到扭簧表面缺陷一致,在電鏡下觀察到扭簧表面存在大量龜網(wǎng)紋狀表面缺陷。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示,沉淀硬化型不銹鋼彈簧的主要生產(chǎn)過程為不銹鋼絲(固溶后酸洗)→冷纏成簧→去毛刺→端部加工→時效強(qiáng)化→表面處理→檢驗(yàn)入庫[1]。結(jié)合扭簧表面形貌觀察推測,其表面缺陷應(yīng)該在表面噴丸之前已經(jīng)存在,為制造加工過程中所產(chǎn)生,并且扭簧的啟裂位置正是表面缺陷與受力重合的位置。

    圖6 斷裂扭簧樣品表面缺陷SEM照片

    3 分析與討論

    斷裂扭簧的化學(xué)成分、顯微組織及硬度等方面均未見異常,但表面狀態(tài)檢測結(jié)果顯示存在大量龜紋狀表面缺陷,結(jié)合金相及掃描電鏡分析應(yīng)為扭簧實(shí)際加工制造過程中產(chǎn)生的缺陷。在工程應(yīng)用中,扭簧對表面缺陷非常敏感,表面缺陷的存在將大大降低其使用壽命[2,3],根據(jù)現(xiàn)場反饋及斷口附近SEM觀察,斷裂位置與扭簧表面最大受力區(qū)域重合,啟裂區(qū)存在碰磨變形以及表面缺陷。

    通過對扭簧斷口分析認(rèn)為,扭簧斷裂主要經(jīng)歷了兩個階段:第一階段為氫脆開裂,啟裂位置正是表面缺陷與受力重合的位置;第二階段為過載斷裂,當(dāng)裂紋發(fā)展至斷面1/2位置后,閥門在定期切換過程中出現(xiàn)沖擊載荷,導(dǎo)致扭簧在有效承載面積減小的情況下出現(xiàn)過載斷裂。一定程度上來講表面缺陷促進(jìn)和加速了扭簧的開裂,由于扭簧安裝后一個大修周期內(nèi)即發(fā)生斷裂,并且現(xiàn)場調(diào)查設(shè)備所在環(huán)境溫度不高,外來引入氫的可能性不高,因此氫的主要來源可能是扭簧加工過程中酸洗等流程引入[3,4]。

    4 結(jié)論與建議

    本次扭簧斷裂的主要原因?yàn)槠湓谥圃爝^程中存在表面缺陷及除氫不盡所導(dǎo)致。對于新采購扭簧,應(yīng)確保其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足采購標(biāo)準(zhǔn)要求,尤其是對表面缺陷的檢查方面,并建議在酸洗、表面處理工藝后應(yīng)立刻進(jìn)行除氫處理,同時建議增加閥門扭簧的檢查更換周期。

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