柴油机中盘簧断裂原因分析案例

1.概 述

某厂为汽车柴油机提供B48 盘簧配件。据厂方技术人员介绍，生产工艺如下：

60Si2Mn 材料扁钢→退火（硬度HRC22～23）→校直→下料→冷绕弹簧→淬火处理（盐炉加热温度880 °C，15 min）油冷→回火（网带炉490 °C，1 h）→电泳漆处理

盘簧成型后进行检测：硬度要求HRC40～45，扭矩要求37～41 N·m。

用户反映盘簧出厂后使用过程中出现断裂现象。据技术人员介绍，断裂的比例约2%，一般是在使用1～2 年后出现断裂。厂方提供1 件断裂的弹簧分析断裂原因。

2.试验方法

（1）宏观断裂现象与断口宏观形貌分析。

（2）从断口附近用线切割方法截取样品，采用金相显微镜观察金相组织。

（3）用扫描电镜观察断口并进一步观察微观组织。

3.试验结果与分析

宏观断口观察结果见图3-32 和图3-33。

图3-32　弹簧断裂位置与断口处弹簧外表面照片

从图3-33 中可以看到以下几点：

（1）断口均是典型的疲劳断裂断口，疲劳源均在盘型弹簧片的外侧。盘簧服役条件下受到交变载荷，根据受力状态与宏观断口分析，可以肯定断裂机制属于疲劳断裂。

（2）特别值得注意的是：样品疲劳源处油漆已经脱落，表面露出金属色有经过摩擦的痕迹，见图3-33。

（3）根据疲劳断口的形貌，测定了不同断裂区域的面积，估算服役状态下所受到应力值结果如下：

断口总面积约为54 mm2，其中辉纹区面积约为35 mm2，瞬时断裂区面积约为19 mm2。因为瞬时断裂区是在外加载荷作用下拉断的，所以该面积与材料抗拉强度的乘积应为外力，根据这样思路可以估算出弹簧在工作条件下受力的定量数据。厂方提供60Si2Mn 材料在上述的处理条件下抗拉强度值在1 300～1 600 MPa。因此估算出：盘簧在工作条件下受到的应力为670～690 MPa。

扫描电镜断口观察结果见图3-34。(www.xing528.com)

图3-33　断口宏观形貌照片

图3-34　盘簧断口形貌SEM 照片

从图3-34 中可以看到：断口处的典型状况是疲劳源处没有夹杂物存在，说明断裂并非原材料内部夹杂物引起，裂纹源处可见到许多微裂纹存在。

金相组织观察结果见图3-35。

图3-35　盘簧金相组织照片

从图3-35 中可以看到：两个样品的基本组织均是回火屈氏体＋回火索氏体组织，属于正常组织。但是在弹簧片的外侧表面（疲劳源处）出现明显的白带，在白带的内部有明显的微裂纹状组织，测定该白带处的显微硬度值为：HV0.025＝500～520，表示采用25g 测定的显微硬度值是500～520。而在内表面则没有这种组织。基体的显微硬度为HV0.025＝400～410。

对盘簧的异常金相组织在扫描电镜下进行观察，结果见图3-36。

图3-36　异常组织SEM 下不同倍数形貌观察照片

从图3-36 中可以看到：在疲劳源处的表面存在大量的微裂纹。又对没有经过使用的弹簧进行金相组织分析，没有看到外表面有白带或者类似脱碳的组织。

4.断裂原因分析

盘簧发生疲劳断裂是因为在使用过程中，弹簧片断裂处的外表面发生了剧烈的摩擦，产生了很高的温度（甚至发生熔化），使原来组织发生了变化，同时产生了微裂纹。这样在这些裂纹处产生疲劳裂纹，在外力作用下，裂纹扩展发生断裂。

依据如下：在2#样品弹簧片的外侧表面（疲劳源处）出现不正常的组织白带，该白带处的显微硬度值为：HV0.05＝500～520，显然不是原始组织，应该是在使用过程中产生的非正常组织。2#样品弹簧片的外侧表面有明显经过摩擦的痕迹。在没有使用过的弹簧中并没有发现这种组织，在断口附近弹簧片相对的内表面有明显经过摩擦后留下的痕迹，发生摩擦的原因与弹簧的几何尺寸、弹簧工作状况及受到的外力均有关系。

5.结论与建议

盘簧发生断裂的原因是制造时形状控制不良，使弹簧片间发生摩擦导致表层组织发生变化。建议严格控制加工过程，保证盘簧正确的外形尺寸，同时控制回火温度，将弹簧的硬度值控制在上限。