Page 65 - 理化检验-物理分册2019年第五期

李子阳, 等: 某空调压缩机弹簧断裂失效分析

１ 理化检验

１．１ 断口分析
首先用酒精溶液对弹簧断口进行清洗, 然后采
用体视显微镜对弹簧表面缺陷进行观察.弹簧断口
宏观形貌如图 ２ 所示, 可以初步 确认断裂源位置.
此外, 对弹簧断口及其附近的弹簧表面进行扫描电
镜( SEM ) 观察, 结果如图 ３ 所示.

图 ２ 弹簧断口宏观形貌
Fi g 敭２ Macromor p holo gy ofthes p rin g fracture
图 ３a ) 为弹簧断口低倍 SEM 形貌, 根据裂纹萌
生扩展方向, 疲劳裂纹扩展线指向弹簧内圈侧表面,
裂纹线收敛处即为疲劳裂纹源区 [ ５ ] .弹簧断裂主要
分为两个区域, 分别为疲劳裂纹扩展区和瞬断区, 即
弹簧断裂模式属于疲劳断裂, 断裂起源弹簧内侧表
面.图 ３b ) 为疲劳裂纹源区的 SEM 形貌, 该区域为
表面裂纹扩展初期形成, 由于受到往复应力的作用

周次较 多, 断 口 较 为 细 小 平 整, 并 有 疲 劳 辉 纹.
图 ３c ) 为裂纹扩展区 SEM 形貌, 可见存在大量的直

线 条 纹, 呈 典 型 的 琴 钢 丝 拉 拔 表 面 形 貌 特 征.
图 ３d ) 为瞬断区 SEM 形貌, 可见弹簧有效承载面积
减少, 单位面积承受的工作应力大幅提高, 裂纹沿着
弹簧拉拔方向呈层状撕裂, 这是由弹簧组织晶粒沿
拉拔方向变形, 晶粒呈细长形状, 晶粒间结 合力较
弱, 裂纹沿着晶面撕开扩展快速断裂导致的.最后 图 ３ 弹簧断口 SEM 形貌
瞬断区边缘处由于裂纹扩展速度快、 应力过大导致 Fi g 敭３ SEM mor p holo gy ofthes p rin g fracture
塑性变形而形成撕裂剥离. a overallmor p holo gy b zoneA c zoneB d zoneC
根据压缩弹簧受力特点, 其最大应力在弹簧内 受达 ９８％ 减面的拉拔 [ ７ ] .
侧表面 [ ６ ] , 该断裂弹簧的疲劳断裂源也在弹簧内侧 根据 GB / T１３２９８－２０１５ « 金相显微组织检验方
表面, 符合弹簧疲劳断裂特征, 未见其他异常引起断 法», 取弹簧纵截面进行显微组织观察.弹簧抛光后
裂的缺陷及特征形貌. 浸蚀前的形貌如图 ４a ) 所示, 可见内部异常组织.研
１．２ 金相检验 究指出, 如果弹簧钢材连铸坯心部存在严重的成分偏
该弹簧材料为琴钢丝, 属于碳素钢丝, 经过索氏 析, 并且该偏析在后续钢坯高温加热扩散, 仍未达到
体化处理后, 材料具有优异的强韧性.索氏体是综 均匀化的预期效果, 可能导致弹簧组织缺陷而疲劳断
合力学性能最佳的一种组织, 具有索氏体组织的碳 裂 [ ８Ｇ９ ] .图４b ) 为浸蚀后弹簧的显微组织形貌, 可见
素钢丝抗拉强度高, 具有优异的深冷加工性能, 可承 均匀的纤维流线状组织, 难以观察到索氏体中的渗碳
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