圆柱压缩螺旋弹簧断裂：机理与原因分析

1）弹簧受力计算与材料强度估算

根据公司提供的数据，弹簧服役状态轴向压缩量为2～3 mm，对弹簧服役应力进行计算：

（1）服役应力计算：

式中，λ＝3.0 mm（轴向变形）；n＝9（有效圈数）；G＝79 000 MPa（剪切弹性模量）；D＝8.0 mm（圆柱弹簧中径，钢丝中线计算）；d＝1.5 mm（钢丝直径）；F＝λGd4/8D3n＝3.0×79 000×1.54/8×83×9＝32.53 N。

式中，d＝1.5 mm（钢丝直径）；F＝32.53 N；C＝D/d＝8/1.5＝5.3；K＝[（4C－1）/（4C＋4）]＋0.615/C＝0.911。

根据式（5-1）、（5-2）求出弹簧服役状态最大剪切应力τmax＝178 MPa。

应当说明的是：弹簧服役状态是分布在一个圆形环槽中，因此除受到剪切应力外还会受到一定弯曲载荷作用，弯曲载荷大小与压缩量有关，应力方向基本垂直钢丝轴向。因此，3号样品会出现裂纹沿轴线扩展的断口形貌。也就是说弹簧实际是在多向应力作用下服役，合成应力值应高于178 MPa。

（2）材料剪切疲劳强度估算：

为探明断裂原因，需要对钢丝进行性能检测。由于圆柱压缩螺旋弹簧均是在剪切应力作用下破坏，所以应该测定材料剪切疲劳强度。由于时间关系仅能根据硬度测定结果，对钢丝剪切疲劳强度进行估算（今后应进行实际测定）。

(https://www.xing528.com)

根据表5-31～表5-33 显微硬度测定结果，换算出的布氏硬度值，计算出材料剪切疲劳强约为357 MPa。

2）断裂机制及断裂原因

材料检测结果表明，钢丝材料为70 钢丝，采用淬火＋中温回火处理。这种处理工艺是弹簧常用热处理工艺。根据材料性能估算结果可知，弹簧服役应力小于弹簧剪切疲劳极限，一般情况下应可满足35 万次寿命要求。因此公司进行疲劳试验时，经过39 万次循环载荷作用，弹簧并没有发生断裂。但在实际服役条件下，却有10 多件弹簧发生断裂，为探明原因首先要明确断裂机制，在此基础上获得失效原因。根据上述试验结果得出以下结论：

（1）圆柱压缩螺旋弹簧断裂机制属于腐蚀疲劳断裂机制。

（2）圆柱压缩螺旋弹簧断裂原因是：

在服役状态下弹簧受到腐蚀介质侵蚀，在表面形成腐蚀坑，大幅度降低弹簧使用寿命，导致弹簧早期断裂。采用70 钢材料钢丝代替65Mn 钢丝对断裂有一定影响。

依据如下：

（1）弹簧安装在汽车动力源内使用，处于封闭状态。在2 个月左右时间，如果没有腐蚀介质侵蚀，是不会发生锈蚀的。但在断裂弹簧表面发现有较严重锈蚀现象，并在弹簧表面观察到较严重的锈蚀坑（见图5-100 和图5-101），这些现象均表明服役状态下弹簧受到腐蚀介质作用。

（2）宏观断口形貌观察中发现有疲劳弧线，微观断口形貌观察中发现有疲劳辉纹，表明弹簧属于疲劳断裂机制。在断口微观形貌观察中发现，裂纹源及裂纹扩展区域均有腐蚀坑、腐蚀产物及微裂纹。这是腐蚀疲劳断裂的典型特征。结合依据（1）的宏观现象，可以断定弹簧断裂机制为腐蚀疲劳断裂。

（3）在没有腐蚀介质侵入的情况下，根据力学计算结果，弹簧是可以满足35 万次寿命要求的。因此公司模拟试验达到39 万次弹簧不会发生断裂。但在弹簧表面存在腐蚀坑的情况下，就会大幅度加快裂纹源形成速度（很大的腐蚀坑本身就构成裂纹源）与裂纹扩展速度，导致弹簧发生早期断裂。因此在服役状态下弹簧受到腐蚀介质侵蚀，是导致早期断裂的重要原因。

（4）原设计要求采用65Mn 钢丝但实际采用70 钢丝。由于含碳量的提高，在同样淬火＋回火的工艺下会导致硬度偏高。由于厂方没有提供钢丝硬度要求，难以判断所用钢丝硬度值是否在标准范围之内。对一般的弹簧类零件，硬度要求大致在HRC41～46。断裂弹簧钢丝硬度达到HRC48～50。硬度偏高一般会增加在腐蚀环境下应力的敏感系数，加速裂纹的形成与扩展。所以认为用70 钢丝代替65Mn 钢丝制作弹簧对断裂有一定影响。