扭簧斷裂失效分析

摘要

通過形貌觀察、成分分析、切片分析等檢測手段對扭簧在生產(chǎn)組裝過程中斷裂失效原因進行了分析，結(jié)果表明扭簧在R角折彎內(nèi)側(cè)表面存在較多細微裂紋，且內(nèi)部存在較多AlN夾雜物裂紋缺陷。當扭簧在裝配過程中受力后，R角應(yīng)力集中位置表面缺陷處會形成裂紋源，而后裂紋會在內(nèi)部沿夾雜物界面擴展，使扭簧發(fā)生斷裂。

背景

此次失效的產(chǎn)品為扭簧，在生產(chǎn)組裝過程中發(fā)現(xiàn)R角折彎處斷裂，斷裂扭簧、未裝配扭簧的外觀圖如圖1所示，分別記為試樣NG、OK。扭簧為SUS631不銹鋼絲經(jīng)卷制后熱處理而成，扭簧絲直徑0.34mm，內(nèi)徑3.15mm，扭簧裝配后受力120g~150g。

圖1 扭簧外觀圖

分析項目

1. 斷口分析

斷口起源于R角折彎內(nèi)側(cè)，平行于扭簧受力臂，斷口陡峭，剪切區(qū)面積較大。圖2所示為NG扭簧斷口微觀形貌，裂紋源起源于扭簧R角折彎內(nèi)側(cè)表面，折彎內(nèi)側(cè)可見明顯表面裂紋（如圖2-B及圖2-D），裂紋源區(qū)裂紋擴展方向垂直受力方向，且存在較多夾雜物缺陷（如圖2-C），斷口中心部分區(qū)域呈韌窩+纖維狀組織特征，同時存在大量相互平行的夾雜物裂紋缺陷，沿扭簧絲變形方向呈長條狀分布，長條狀裂紋前端可見明顯塊狀夾雜物（如圖2-E），而剪切區(qū)平坦，同樣見較多夾雜物缺陷（如圖2-F）。

圖2 NG扭簧斷口顯微形貌

圖3為斷口纖維區(qū)能譜分析，由表1中列出的結(jié)果可知，夾雜物裂紋缺陷前端的夾雜主要為AlN夾雜物。

圖3 NG扭簧斷口能譜分析

表1 NG扭簧斷口能譜分析結(jié)果（wt%）

圖4為OK扭簧R角折彎內(nèi)側(cè)表面形貌，R角折彎內(nèi)側(cè)表面可見較多的細微裂，裂紋垂直于扭簧受力臂，與斷裂扭簧裂紋源表面的裂紋形貌一致。

圖4 未裝配OK扭簧折彎處形貌

1. 切片觀察

NG扭簧斷口截面浸蝕前形貌如圖5所示。裂紋擴展方向見圖5-A（紅色箭頭），裂紋源區(qū)平坦，垂直扭簧受力方向，之后裂紋呈鋸齒狀擴展，總體方向平行于受力方向。圖5-B、圖5-C及圖5-D所示為纖維區(qū)微觀形貌，斷口呈明顯的鋸齒臺階撕裂狀，平行于扭簧受力臂方向的長段裂紋對應(yīng)于斷口夾雜物裂紋缺陷形貌，裂紋沿夾雜物裂紋缺陷擴展。NG扭簧截面其他區(qū)域可見明顯長條狀夾雜物裂紋缺陷，沿變形方向分布。條狀塊狀夾雜物裂紋缺陷在整個截面均有分布，且夾雜物裂紋缺陷相互間的間距較小。由能譜分析結(jié)果可知，夾雜物與斷口表面觀察的結(jié)果一致，均為AlN塊狀夾雜。

圖5 NG扭簧斷口浸蝕前截面形貌

圖6為NG扭簧截面浸蝕后組織形貌，浸蝕后的組織可見細小的變形馬氏體組織，其間可見數(shù)量較多的長條狀夾雜物裂紋缺陷（紅色箭頭所指），形貌與斷口存在的長條狀裂紋缺陷一致。

圖6 NG扭簧斷口浸蝕后截面組織形貌

圖7為未裝配OK扭簧未浸蝕前截面形貌，次表面可見明顯裂紋缺陷，其它區(qū)域可見長條狀夾雜物裂紋缺陷。由能譜分析可知，夾雜物為AlN。浸蝕后的微觀形貌見圖8，其夾雜物形貌及種類與NG扭簧一致。

圖7 未裝配OK扭簧未浸蝕前截面形貌

圖8 未裝配OK扭簧浸蝕后截面組織形貌

綜合分析

由斷口分析可知， NG扭簧裂紋源起源于R角折彎內(nèi)側(cè)表面裂紋。斷口纖維區(qū)以韌窩為主，分布較多相互平行的長條狀夾雜物裂紋缺陷，裂紋沿夾雜物分布方向擴展。裂紋源區(qū)垂直于扭簧受力方向，斷口呈鋸齒狀，整體平行于扭簧受力臂。

扭簧截面組織觀察可知，NG扭簧及未裝配OK扭簧均存在較多的內(nèi)部裂紋缺陷，此內(nèi)部裂紋缺陷均為沿材料變形方向、截面均有分布，裂紋前端為塊狀A(yù)lN夾雜，而后端可見細小的裂紋，無夾雜物填充。由以上分析可知：內(nèi)部裂紋缺陷為硬質(zhì)夾雜物AlN在扭簧絲形變成型過程中隔裂基體材料而形成，裂紋缺陷較長，相互平行而又分布密集且間隔小。

圖9 扭簧R角折彎處應(yīng)力云圖

結(jié)合以上分析，扭簧R角折彎處內(nèi)側(cè)表面可見明顯裂紋缺陷，內(nèi)部分布較多沿變形方向的相互平行的長條狀裂紋缺陷，隔斷基體材料的連續(xù)性，折彎處變形量最大，裂紋缺陷最多，此處材料強度最低。在受力后，R角折彎內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力最大，應(yīng)力云圖見圖9，在存在表面微裂紋的情況下，將成為裂紋源。初始裂紋在未擴展到夾雜物裂紋缺陷時，受拉應(yīng)力控制，擴展方向垂直受力方向，見裂紋中的垂直扭簧受力臂臺階；當裂紋擴展至夾雜物缺陷，此時裂紋將沿內(nèi)部缺陷裂紋擴展，此時裂紋擴展方向與在扭簧受力方向平行；當擴展到夾雜物裂紋缺陷末端時，擴展將還原為拉應(yīng)力控制，繼續(xù)擴展直至下一次擴展至夾雜物裂紋缺陷。

結(jié)論

綜上可知，扭簧斷裂原因為：

1、扭簧R角折彎內(nèi)側(cè)表面存在較多細微裂紋缺陷。在扭簧裝配過程中受力后，應(yīng)力集中位置的表面缺陷會形成裂紋源；

2、扭簧內(nèi)部存在較多沿變形方向分布的相互平行的長條狀夾雜物缺陷，破壞材料連續(xù)性，降低強度，裂紋易在內(nèi)部沿長條狀夾雜物界面擴展，使扭簧發(fā)生斷裂。

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