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彈簧斷口裂紋失效分析

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掃一掃!彈簧斷口裂紋失效分析掃一掃!
瀏覽·✘₪:- 釋出日期·✘₪:2020-07-17 15:05:22【

盤形彈簧·•·,材料為50CrV·•·,繞製成型後熱處理·•·,表面為磷化處理↟↟✘◕。在安裝時發生斷裂·•·,斷裂發生在折彎角處·•·,折彎角處斷掉一截↟↟✘◕。

14.1.1  試驗過程與結果

取一件完好件和斷裂件一起進行分析·•·,盤簧完好件如圖14-1;斷裂件如圖14-2;斷裂位置為圖中的圓圈處↟↟✘◕。

圖14-1 完好彈簧形貌 圖14-2 斷裂彈簧形貌








圖14-1  完好彈簧形貌                圖14-2  斷裂彈簧形貌

掃描電鏡斷口觀察·•·,斷面凹凸不平·•·,顏色呈深灰色·•·,中心部位可見少量放射花樣↟↟✘◕。

彈簧斷口的低倍形貌·•·,見圖14-3·•·,圖中的A區為斷裂起始區·•·,B區為擴充套件區·•·,C區為最終斷裂區↟↟✘◕。

圖14-3 斷口宏觀形貌

圖14-3    斷口宏觀形貌                

在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌·•·,起始區(A區)的微觀形貌為主要以韌窩形貌為主·•·,發現非金屬夾雜(圖中圓圈處)·•·,見圖14-4↟↟✘◕。

擴充套件區(B區)的微觀形貌以解理為主·•·,伴有少量韌窩形貌·•·,有明顯的非金屬夾雜(圖中圓圈處)·•·,見圖14-5◕│•₪▩、圖14-6↟↟✘◕。

最後斷裂區(C區)的微觀形貌為韌窩形貌·•·,見圖14-7↟↟✘◕。

圖14-7 C區微觀形貌

                   圖14-4   A區微觀形貌

圖14-5 B區微觀形貌 圖14-6 B區微觀放大形貌

圖14-5   B區微觀形貌                        圖14-6  B區微觀放大形貌

圖14-7 C區微觀形貌

圖14-7   C區微觀形貌

金相檢查·✘₪:

沿斷口縱向擷取金相試樣做流線檢查·•·,流線顯示正常·•·,但斷裂處直徑明顯變小·•·,有塑性變形·•·,反映了彎曲成形區域性變形大·•·,見圖14-8↟↟✘◕。

圖14-8 彈簧金屬流線

圖14-8   彈簧金屬流線

沿斷口縱向擷取金相試樣·•·,檢查結果·•·,組織為細珠光體+鐵素體·•·,並有變形組織特徵·•·,見圖14-9↟↟✘◕。

圖14-9 彈簧顯微組織


圖14-9   彈簧顯微組織

對盤簧進行化學成分檢查·•·,成分檢查結果符合50CrV的成分要求↟↟✘◕。

對盤簧進行硬度檢查·•·,檢查結果:盤簧表面表層硬290~310HV0.3;心部硬度261~275HV10

14.1.2  分析與討論

盤簧的化學成分符合要求·•·,但盤簧的金相組織◕│•₪▩、硬度不符合盤簧的技術要求↟↟✘◕。

這種盤簧加工工藝一般是採用球化退火的原材料·•·,加工成形·•·,然後淬火◕│•₪▩、回火·•·,硬度在HRC43-46·•·,回火組織為屈氏體組織↟↟✘◕。

該批盤簧在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌·•·,主要以韌窩形貌為主·•·,金相試樣檢查結果·•·,組織為細珠光體+鐵素體·•·,組織不符合盤簧加工工藝要求·•·,組織檢查發現盤簧還保留了變形組織特徵·•·,以上檢查結果說明該故障盤簧沒有進行淬火處理↟↟✘◕。可能直接用冷拉絲材繞製成形後沒有淬火·•·,熱處理時只進行了定型回火(進行定型回火後保證了每個盤簧的尺寸)·•·,所以·•·,盤簧的金相組織不是屈氏體組織·•·,而是原材料的珠光體+鐵素體·•·,同時保留了原材料的冷拉組織特徵↟↟✘◕。

另外·•·,掃描電鏡下觀察發現·•·,盤簧有非金屬夾雜;金相試樣檢查·•·,流線顯示正常·•·,但斷裂處直徑明顯變小·•·,有塑性變形·•·,反映了彎曲成形區域性變形大·•·,該處存在較大內應力·•·,因為變形量大·•·,直接變形會造成過大區域性應力◕│•₪▩、生成稜邊微裂紋↟↟✘◕。

斷口分析的結果·•·,表明彈簧的斷裂起始位置微觀形貌以韌窩形貌為主·•·,整個斷口表現為過載或彈簧強度不夠引起的韌性斷裂↟↟✘◕。

彈簧彎曲時·•·,彈簧彎曲外表面受的拉應力最大·•·,而彎曲外表面的拉應力大小和彎曲半徑◕│•₪▩、彎曲角度有關·•·,彎曲半徑越小·•·,彎曲角度越大·•·,則彎曲外表面所受的拉應力越大↟↟✘◕。該彈簧彎曲斷裂處直徑明顯變小·•·,說明彎曲變形過大↟↟✘◕。彈簧彎曲變形大·•·,造成彎曲處的直徑明顯變小·•·,使該處存在較大內應力↟↟✘◕。彈簧成型後要進行淬火◕│•₪▩、回火·•·,消除內應力·•·,使硬度和組織滿足工藝技術要求↟↟✘◕。如果熱處理後彈簧進行了鉗修·•·,要及時去應力回火·•·,消除變形應力↟↟✘◕。

該批彈簧的製造工藝存在問題·•·,沒有進行熱處理的淬火處理·•·,彈簧的強度不夠·•·,彎曲處的組織應力·•·,變形應力沒有消除·•·,存在較大的殘餘應力;另外·•·,該批彈簧還存在較明顯的非金屬夾雜·•·,非金屬夾雜物的存在·•·,也降低了彈簧的綜合性能↟↟✘◕。該批彈簧不能滿足安裝要求·•·,在安裝時·•·,由於安裝應力超過彈簧的強度極限·•·,在應力集中的彎曲處彈簧過載斷裂↟↟✘◕。

14.4.1 結論與啟示

(1)該批彈簧的製造存在工藝問題·•·,彈簧斷裂的主要原因是成型後沒有進行淬火處理·•·,造成彈簧的強度低·•·,不能滿足安裝要求·•·,在安裝時彈簧過載斷裂↟↟✘◕。

(2)造成彈簧斷裂的原因還有很多·•·,除彈簧的強度低外·•·,彈簧還存在較明顯的非金屬夾雜物·•·,彎曲處存在較大的殘餘應力·•·,彈簧的綜合性能低等·•·,有安裝應力作用下·•·,在彎曲處的應力集中位置過載斷裂↟↟✘◕。

(3)該類彈簧應進行淬火◕│•₪▩、回火處理·•·,對製造工藝進行檢查·•·,熱處理工藝是否漏了淬火工藝▩◕·↟?熱處理操作過程中漏了淬火工序▩◕·↟?

(4)在今後的彈簧加工過程中·•·,對原材料進行檢查;成型後進行淬火◕│•₪▩、回火處理·•·,對彎曲處鉗修後要進行去應力回火;增加硬度和組織檢查↟↟✘◕。

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