弹簧进行失效分析原因案例介绍及弹簧化学材质表面材质测试 华瑞测检测拥有一套科学的检测、分析设备,及经验丰富的技术团队,专业从事检测分析技术服务。
针对开关联杆弹簧进行失效分析,
失效件 1 件及若干参考件如图1,
其中失效件为断裂失效;参考件为正常件,材料为 SWP-B Per JIS G3522,且表面有 MAGNI 565 镀层;弹簧是装在车门锁里的,与之相连的是塑料的壳体和金属的上盖,弹簧设计扭矩 3026357 开关联杆弹簧:安装扭矩42N.mm+/-10%;全行程扭矩 94.7Nmm+/-10%;要求对断裂弹簧进行失效分析。
图1 来样宏观形貌(箭头指向断口,右图为参考件)
2. 样品信息
样品名称 | 开关联杆弹簧 |
样品数量 | 1 件失效件及若干件参考件 |
材料 | SWP-B Per JIS G3522 |
处理方式 | 表面经过热处理(应力释放)-->磷化处理(打底)-->电镀 MAGNI 565 |
3. 化学成分分析
测试标准 | GB/T20123-2006 GB/T20125-2006 GB/T223.59-2008 | |||||
检测结果(%) | ||||||
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cu |
实测值 | 0.83 | 0.20 | 0.52 | 0.020 | 0.007 | <0.010 |
4 硬度分析
检测方法 | GB/T 4340.1-2009 | ||||
检测设备 | Instron Tukon 2100B | ||||
测试件 | 失效件 | ||||
检测结果 (HV1) | |||||
579 | 602 | 613 | 575 | 605 |
5.宏观及断口分析
收到失效开关联杆弹簧1件,出现断裂在最外圈可能是受力最大的部位,接近弹簧拐角处如图2箭头所示部位;断口污染严重;断口分为两部分,相对平齐。
图2 断裂形貌(左图箭头指向断口,右图箭头指向断裂部位)
扫描电镜下观察,低倍下断口形貌如图 3,断口污染严重;经清洗后断口形貌如图 4,断口分为上下两部分, 断口相对平整,断面中部有一条裂纹,为上下两部分断口交汇处;A 处断面形貌如图 5 有韧窝特征;B 处断面形貌如图 6 有疲劳台阶及疲劳条纹;C 处断面形貌如图 7 有疲劳条纹;D 处断面形貌如图 8、E 处断面形貌如图 9 均有疲劳条纹;
弹簧表面形貌如图 10,表面较为粗糙,且表面涂层有被磨掉的现象;在其它表面甚至发现有微裂纹现象如图11、图 12。
图3 断面低倍原貌 图4 断面经清洗后形貌
图5 A区断面形貌 图6 B区断面形貌,有疲劳条纹
图7 C区断面形貌有裂纹、微裂纹 图8 D区断面形貌有疲劳条纹及金属挤压现象
图9 E区断面形貌 图10 弹簧表面形貌,表面粗糙
图11 表面形貌,有微裂出现, 图12 表面形貌,有微裂出现,
箭头指向裂纹 箭头指向裂纹
6.金相分析
6.1 非金属夹杂物分析
检测方法 | GB/T 10561-2005/ASTM E45-2005 | ||||||
检测设备 | ZEISS AXIO IMAGER. A2M | ||||||
检测结果 (级别 Grade)如图 13 | |||||||
Thin A | Heavy A | Thin B | Heavy B | Thin C | Heavy C | Thin D | Heavy D |
0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
图13 非金属夹杂物
6.2 镀层厚度
检测方法 | GB/T 6462-2005 | |||||
检测设备 | ZEISS AXIO IMAGER. A2M | |||||
检测结果 (um)如图 14 | ||||||
测量点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 均值 |
磷化层 | 1.9 | 2.0 | 2.3 | 4.5 | 2.8 | 2.7 |
MAGNI 565 | 3.8 | 5.9 | 4.8 | 5.7 | 6.5 | 5.3 |
图14 表面涂层形貌及表面缺陷
6.3 基体组织分析
检测方法 | GB/T 13298-1991 |
检测设备 | ZEISS AXIO IMAGER. A2M金相显微镜 |
检测结果 | |
基体组织在纵剖面表现为纤维状回火马氏体如图 15,在横向剖面则表现为等轴回火马氏体如图16,组织正常。 |
图 15 纵向剖面组织形貌 图 16 横向剖面组织形貌
6.3 缺陷分析
检测方法 | GB/T 13298-1991 | |
检测设备 | ZEISS AXIO IMAGER. A2M金相显微镜 | |
检测结果 | ||
测试项目 | 描述 | |
表面缺陷 | 横向剖面表面缺陷如图 17,纵向剖面表面缺陷如图 18;缺陷最深达10um |
图17 横向剖面形貌,箭头指向缺陷 图18 纵向剖面组织形貌,箭头指向缺陷
7.分析和讨论
7.1 失效开关联杆弹簧出现断裂是在最外圈可能是受力最大的部位,断口污染严重;
7. 2 扫描电镜下观察,断裂是在弹簧表面开始的;断面有两部分;
7. 3 失效件及参考件弹簧表面较为粗糙,有些部位有微裂纹;
7. 4 化学成分符合 SWRS82A 要求;
7. 5 非金属夹杂物及基体组织正常;
7.6 从服役条件看,弹簧的硬度偏高,增大脆性和疲劳断裂的风险;
7.7 涂层不均匀,表面有微裂纹等开口型缺陷。
8.结论
8.1. 此开关联杆弹簧出现断裂属于扭转弯曲疲劳断裂;断裂源于表面缺陷;
8.2 表面出现微裂纹等开口型等缺陷,与原材料冷拔态表面质量有关;
8.3 调整材料的热处理工艺,特别是保证中温回火工艺条件,调低弹簧使用硬度;也可以更改选材牌号, 降低含碳量为 0.5~0.7%;
8.4 对磷化工艺进行控制,考虑去氢处理,以及避免由于酸洗不均匀引起的表面缺陷。