洗衣機卡箍彈簧斷裂的失效分析及預防措施

李德念 黃建威

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

洗衣機為現(xiàn)代家庭必不可少的家電之一，文章結(jié)合某款洗衣機在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)大比例卡箍彈簧斷裂異常，通過采用斷面SEM 形貌分析、金相檢驗、材料成分檢驗、受力分析等檢驗手段，進一步論證缺口效應對金屬材料的影響，最終針對性的預防改進措施。

1 卡箍彈簧斷失效分析

1.1 宏觀斷口

宏觀斷口表面十分平整，斷面垂直于彈簧軸向（主正應力方向），每個斷面都存在一個缺口，部分有2 個缺口（共性問題），斷口附近無明顯頸縮現(xiàn)象，斷面直徑與正常線徑基本一致，裂紋由切口位置向內(nèi)延伸擴展，斷口表面顏色灰暗無光澤，如圖1 所示。

圖1 低倍宏觀斷口形貌

圖2（b）、（c）裂紋呈人字形，人字形尖端指向彈簧表面切口處，擴展到中徑位置開始出現(xiàn)旋渦狀紋路，漩渦紋路外圈呈現(xiàn)剪切唇形貌，圖2（b）的漩渦紋路較平整，剪切唇位置較寬，圖2 （c）的漩渦紋路呈現(xiàn)微臺階，剪切唇位置較窄；斷裂模式為韌性斷裂。

圖2 高倍宏觀斷口形貌

1.2 斷口微觀分析

采用掃描電子顯微鏡對斷口進行微觀觀察；

斷面SEM 形貌分析：斷面微觀主要形貌特征為滑移面和韌窩，在拉長的韌窩壁上可見平坦滑移面，韌窩有兩種形態(tài)，等軸韌窩和剪切狀拉長韌窩，無解理和準解理特征，詳見圖3。

借助電鏡對韌窩處和非韌窩處進行元素含量對比，發(fā)現(xiàn)韌窩處非金屬元素C、O、Si 含量比較高，詳見圖4與表1 ，初步推斷斷裂情況與非金屬夾雜物有關(guān)。

表1 電鏡測試韌窩及平坦區(qū)域處元素相對占比

圖4 電鏡測試韌窩及平坦區(qū)域處元素相對占比位置圖

1.3 非金屬夾雜物觀察

根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》[1]，樣品經(jīng)研磨、拋光在低倍100x 的金相顯微下觀察[2]，拋光截面的非金屬夾雜物細小分散，結(jié)合電鏡測試結(jié)果，判斷非金屬夾雜物為GB/T 10561 中的C（硅酸鹽）類和D（球狀氧化物）類夾雜，等級達到1 級以上，詳見圖5。

圖5 非金屬夾雜物情況

受物料限制不能按照國標中要求的方式取樣，但根據(jù)國標中的判定標準及實際檢測結(jié)果，彈簧非金屬夾雜物無超差現(xiàn)象，非造成斷裂主要原因。

1.4 材料成分測試分析

圖紙要求彈簧材料牌號為SUS304，根據(jù)國標GB 1220-1992 不銹鋼棒[3]，采用原子發(fā)射光譜法對其材料成分進行測試分析，材料成分符合國標要求，實測數(shù)據(jù)如表2。

表2 彈簧材料成分

表3 彈簧彈性系數(shù)驗證

1.5 金相分析

根據(jù)GBT4334-2020 金屬和合金的腐蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法[4]，對斷裂樣品進行分割制樣、研磨、拋光，然后將其放入10 %草酸溶液中，采用電解腐蝕法對其進行腐蝕，在金相顯微鏡觀察其顯像組織如圖6 所示；

圖6 彈簧縱截面金相組織

圖7 彈簧受力分析圖

組織說明：鑲樣觀察截面金相組織，觀察到的彈簧微觀組織主要為：球粒狀珠光體、細小的鐵素體和線條狀的滲碳體[5]，組織分布均勻，無粗大相，確定彈簧的熱處理工藝有球化退火和回火，符合一般扭轉(zhuǎn)和拉伸彈簧的熱處理工藝要求。

1.6 機械性能測試

彈簧原始長度為95±1 mm，正常工作長度為（170 ～175）mm，根據(jù)彈簧的彈性系數(shù)[6]（圖紙給出K=0.8 N/mm）算出其正常工作最大受力為：F=KX=（0.8×81）=64.8 N。抽取彈簧采用拉力機施加200 N 的拉力，均未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

經(jīng)測試各項參數(shù)正常，能夠滿足實際使用要求，斷裂情況與彈簧機械性能關(guān)系不大。

1.7 結(jié)構(gòu)受力分析

從圖2 中觀察到的斷口宏觀形貌多為旋渦狀，且有大面積的拉長韌窩，判斷彈簧斷裂時受到的主要為靜扭轉(zhuǎn)應力。將彈簧斷面分解為微元，兩側(cè)部位視為剛性體，進行受力分析，分解后的彈簧法向面受法向力Fn=Fsinα、切向力Fq=Fcosα、扭矩T=FRcosα、彎矩M=FRsinα（具體見圖2-8），拉簧的螺旋角選型在（6 ～9）°，故sinα ≈0，cosα ≈1，彈簧截面主要承受的為扭矩T和切向力Fq。實際安裝過程中，彈簧受到的軸向力與軸線不重合，其一端被固定，另一端受到垂直紙面向內(nèi)和與卡箍相切的拉力，這種受力方式會加大扭矩和切向力數(shù)值，加劇斷裂。

分析得知斷裂與裝配時受力方式不合理有關(guān)。

1.8 卡箍彈簧裝配工藝

彈簧加工成型后，需要采用小型沖壓設備利用工裝將彈簧與卡箍線連接在一起，如圖8 所示，經(jīng)對裝配工藝排查，發(fā)現(xiàn)彈簧斷面上的缺口，為在壓裝過程中工裝鉤子離彈簧太近，所造成的機械損傷。

圖8 彈簧、卡箍裝配工藝圖

眾所周知，缺口的存在影響金屬材料的彈性變形、塑性變形和斷裂過程, 缺口效應造成應力應變集中[7];裂紋一般會起始于材料的應力集中部位，如缺口、夾雜物等缺陷，在交變載荷的作用下，缺口處應力處應力集中的程度越高，裂紋出現(xiàn)的就越早，在其它條件不變的情況下，斷裂得就越快[8]。

1.9 小結(jié)

綜上分析判定卡箍彈簧斷裂的原因為：卡箍彈簧在生產(chǎn)制造過程中存在切口，形成缺口效應，造成應力集中。而在使用過程中彈簧受到軸向拉力的同時，還受到扭轉(zhuǎn)應力，扭轉(zhuǎn)應力對材料表面缺口十分敏感，在雙受力的作用下加劇裂紋的延展，導致彈簧出現(xiàn)斷裂。

2 結(jié)論

在生產(chǎn)制造過程中造成的零件表面切口，易形成缺口效應，造成應力集中，在零件受到應力加載時，缺口處應力處易出現(xiàn)裂紋，在雙受力的作用下加劇裂紋的延展，最終導致斷裂。

因此：

1）在金屬材料加工制造過程中，應注意避免其缺口的產(chǎn)生。

2）在無法避免時應注意控制缺口圓角半徑，在切口深度較大時, 即徑比 D/ d 較大時, 圓角半徑特別小或特別大對軸的疲勞壽命影響都比較大, 都會引起軸疲勞壽命的銳減；特別在圓角半徑＜ 0. 2 B 時, 圓角半徑對軸疲勞壽命影響特別大[9]。