0Cr17Ni7AL鋼彈簧用鋼性能分析

彈簧是一個重要的基本部件，主要用于緩沖、減震、儲能、連接和傳遞力和扭矩。Cr17Ni7Al鋼彈簧在使用中斷裂，本文分析了斷裂的原因。斷裂彈簧的截面相對平坦，可分為明顯的兩部分：白色、平坦、明顯的凸臺；灰色、粗糙、邊緣特征明顯。對斷面的放大觀察發(fā)現(xiàn)，斷面有明顯的疲勞弧，疲勞弧中心指向底凸臺，可初步判斷疲勞源位于底凸臺附近，從彈簧內(nèi)側(cè)向外延伸。斷裂彈簧及其斷口的宏觀形狀如圖1所示。

斷裂彈簧的化學(xué)成分見表1。從表1可以看出，彈簧的化學(xué)成分符合要求GB/T1220——2007中OCr17Ni7Al鋼的要求。

掃描電鏡分析

用丙酮超聲波清洗斷口，然后放在掃描電鏡下觀察。斷口形狀見圖2。斷面分為三部分：開裂區(qū)、開裂擴(kuò)展區(qū)和快速斷裂區(qū)。開裂源于凸臺底部彈簧內(nèi)側(cè)的長條形凹坑。凹坑可能是由殘?jiān)撀湟鸬?。裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到與擴(kuò)展方向相對應(yīng)的疲勞帶，具有明顯的疲勞特征。韌性特征可以在快速斷裂區(qū)觀察到。

金相和能譜分析

根據(jù)拋光和腐蝕觀察，在截面附近沒有發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷，組織為回火馬氏體，與遠(yuǎn)離截面的顯微組織沒有明顯區(qū)別，也沒有發(fā)現(xiàn)表面脫碳現(xiàn)象，如圖3所示。對缺口進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)硅和鋁的氧化物。能譜分析結(jié)果見圖4。

疲勞是承受交變載荷的運(yùn)動部件最常見的失效形式之一。彈簧是承受交變載荷的典型部件。斷裂彈簧斷面有明顯的疲勞弧，這是典型的疲勞斷裂特征。疲勞弧膨脹的反向指向內(nèi)徑側(cè)凸臺附近，相對平坦，外徑壁附近粗糙，邊緣線明顯向外壁膨脹。根據(jù)上述特點(diǎn)，可以初步確定彈簧斷裂為疲勞斷裂，裂紋起源于彈簧內(nèi)徑的凸起。

微觀分析發(fā)現(xiàn)，截面可分為三個區(qū)域：疲勞源區(qū)域的裂紋擴(kuò)展區(qū)域和快速撕裂區(qū)域。裂紋起源于凸臺內(nèi)徑壁附近的長條形凹坑，以坑兩側(cè)的端點(diǎn)為起點(diǎn)，沿兩個方向向向外壁擴(kuò)展。能譜分析沿凹坑剖面取樣，結(jié)果表明凹坑對應(yīng)的部位有硅和鋁氧化物，因此可以得出結(jié)論，間隙可能是由殘?jiān)撀湟鸬摹Ａ鸭y擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞帶，這是疲勞斷裂的特征，對應(yīng)于宏觀外觀。斷裂凸臺由兩個裂紋起點(diǎn)的擴(kuò)展和交叉引起。

拋光狀態(tài)下，斷口附近其他部位無明顯冶金缺陷，顯微組織為回火馬氏體，與遠(yuǎn)離斷口的組織無明顯差異，彈簧顯微組織正常。

失效的OCr17Ni7Al鋼彈簧斷裂為疲勞斷裂，疲勞源區(qū)為彈簧表面附近的夾渣。彈簧主要由夾渣的存在引起，在交替載荷的作用下導(dǎo)致疲勞斷裂。使用過程中，彈簧承受交替載荷，表面質(zhì)量對其疲勞性能有顯著影響。建議提高鋼的冶金質(zhì)量，避免夾渣。