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气门弹簧早期断裂原因

聂 (浙江美力科技股份有限 轮 公司,绍兴 312000)

摘 要:某公司生产的气门弹簧在用户安装使用几小时后即发生早期断裂。采用宏观观察、微 观分析、金相检验及硬度测试等方法对气门弹簧的早期断裂原因进行了分析。结果表明:气门弹簧 表面存在折叠裂纹缺陷,该缺陷是在原材料轧制过程中产生的。在交变载荷作用下,折叠裂纹尖端 的延伸部分成为疲劳裂纹源并不断扩展,从而造成气门弹簧早期疲劳断裂。

关键词:气门弹簧;早期断裂;折叠裂纹;交变载荷;应力集中 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)04-0055-0

某公司生产的气门弹簧,用户安装使用几小时 后 即 发 生 了 早 期 断 裂,该 气 门 弹 簧 的 材 料 为 VDCrSi弹簧钢,线径为5.2 mm,总圈数10.1圈, 有效 圈 数 8.1 圈,旋 向 为 右 旋,设 计 最 大 应 力 为 839.8MPa,疲劳寿命要求为3×10 7 周次。该气门 弹簧的生产工艺流程为:原材料(油淬火回火态)→ 卷簧→回火→磨簧→喷丸→立定处理→清洗上油→ 包装。笔者对该早期断裂弹簧进行了检验和分析, 以期类似事件不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

断裂气门弹簧 的 宏 观 形 貌 如 图 1 所 示,断 裂 位置位 于 距 离 右 侧 端 头 第 4 圈 和 第 5 圈 之 间。 在体视显 微 镜 下 观 察 断 口,形 貌 如 图 2 所 示,可 见有放射纹路收敛 于 钢 丝 表 面 的 裂 纹 处,为 单 一 断裂源。断裂源区宏观形 貌 如 图 3 所 示,位 于 弹 簧内侧。

1.2 微观分析 

采用扫描电镜观察弹簧断口及表面情况,在断 裂源区可以清楚地看到有发散条纹起源于裂纹两 侧;观察断口表面,发现有一条沿钢丝轴向开裂的裂 纹与断口相连,如图4和图5所示。其他断口附近 表面未发现其有明显加工缺陷。 

1.3 金相检验 

在断口附近取金相试样,分析裂纹情况及其横 截面显微组织形貌。在抛光状态下观察裂纹情况, 可见裂纹从弹簧表面起源,总长度约0.3mm,裂纹 两侧存在氧化脱碳现象,如图6所示。 金相试样经3%硝酸酒精溶液浸蚀后置于蔡司 金相显微镜下观察,可见试样的显微组织为回火屈 氏体,如图7所示。弹簧表面显微组织正常,没有明 显的脱碳现象,如图8所示。

1.4 硬度测试

使用显 微 硬 度 计 测 试 弹 簧 硬 度,测 试 结 果 见 表1。弹簧的平均硬度为541.6HV1。 

2 分析与讨论

通过对断裂弹簧的显微组织和表面脱碳情况进行分析可知,弹簧的显微组织正常,硬度测试结果表 明弹簧的硬度符合图纸要求。 在断裂源区存在明显的裂纹,根据断口附近钢 丝表面观察到的裂纹形貌判断该裂纹为折叠裂纹。 在 断 口 附 近 取 金 相 试 样 分 析,裂 纹 深 度 约 为 0.3mm。从裂纹微观形貌来看,裂纹开裂部位由表 及里,裂纹与表面约成45°,裂纹开口处及两侧存在 氧化脱碳现象,证实为原材料表面折叠裂纹[1]。钢 材在钢厂热轧成盘条后供钢丝加工厂进行冷拔、淬 火回火热处理制成油淬火钢丝。裂纹开口处的氧化 脱碳说明裂纹在钢丝淬火加热前就存在了。因钢丝 淬火加热时间较短,故氧化脱碳较轻微。裂纹应在 钢材轧制过程中产生,而与钢丝拉拔厂的后续加工 过程无关。钢丝厂生产线中无涡流探伤设备未能检 出有裂纹缺陷的钢丝,造成不良产品的流出。 追溯分析引起材料表面折叠裂纹的原因,供应 商分析确认是由于导辊卡死和异常磨损,进口导卫 扶持不住,轧件发生扭转,在孔型中发生单边过充满 导致的折叠缺陷。 该弹簧表面由于存在折叠缺陷而造成应力集 中,加上该弹簧为高强度弹簧钢丝,对应力集中敏感 性较强,在交变载荷作用下,折叠裂纹尖端的延伸部 分成为疲劳裂纹源并不断扩展,从而造成弹簧早期 疲劳断裂[2]。 

3 结论及建议 

该气门弹簧发生早期疲劳断裂的原因是材料表 面存在折叠裂纹缺陷,而该折叠缺陷是在原材料轧 制过程中产生的。在变载荷作用下,折叠裂纹尖端 的延伸部分成为疲劳裂纹源并不断扩展,从而造成 弹簧早期断裂失效。 

来源：材料与测试网