某廠疲勞試驗過程中發生早期斷裂的彈簧材質為SWOSC-B，裝配在漲緊輪中，于扭轉試驗運行約1200次時發生斷裂，其化學成分在正常范圍內，基本工藝：繞簧→油淬火回火→電泳→測扭矩→包裝。我們通過宏觀觀察、硬度分析、電鏡分析、金相檢驗等檢驗手段對斷口進行綜合分析，結果顯示其斷口外彎部位存在氧化鐵層、凹坑及小裂紋等缺陷，這些缺陷易產生應力集中，因此疲勞試驗過程中在薄弱的缺陷部位產生疲勞開裂。
1.宏觀觀察
彈簧表面有黑漆覆蓋，斷裂部位及環向側面局部有“摩擦”后遺留的斷續分布的“小亮區”。觀察斷口橫截面發現開裂源位于彈簧樣品的外彎局部部位，開裂源部位較為平坦，有弧型疲勞區，裂紋擴展區呈放射狀，斷裂區位于另一側內彎邊緣部位，有明顯的剪切特征，其宏觀形貌見圖1。
圖1 送檢橫向斷裂彈簧宏觀形貌
2.硬度測試
取斷口相鄰部位進行硬度測試，結果見表1。根據標準JIS G3560-1994，此失效彈簧直徑約5 mm，對應拉伸強度1760-1910 N/mm2，換算為洛氏硬度為50.5-53.0 HRC。結果顯示此失效件處于標準要求硬度范圍的下限。
表1 送檢彈簧樣品硬度測試結果
3.電鏡分析
采用ZEISS的EVO15型號電鏡觀察斷口形貌，圖2可清楚觀察到斷口的開裂源、裂紋擴展區、斷裂區。斷口開裂源位于彈簧外彎表面局部部位，放大觀察開裂源部位雖剮蹭嚴重，但仍可觀察到周圍有疲勞紋，繼續放大可觀察到開裂源部位局部存在凹坑及裂紋缺陷，見圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)；裂紋擴展區呈放射狀向外擴展，見圖3(e)、3(f)；斷裂區位于斷口另一側邊緣部位，可觀察到剪切唇及其韌窩形貌，見圖3(g)、3(h)。
圖2 橫向斷口開裂源區、擴展區、瞬斷區整體低倍形貌
圖3 斷口各區域局部特征形貌
4.金相分析
采用ZEISS的正置顯微鏡Scope.A1進行金相分析。在斷口附近分別取兩塊試樣進行橫截面與縱截面分析。
橫截面和縱截面外彎處即開裂源對應部位均觀察到表面覆著一厚度約15μm的不致密脆性層，經牛津能譜 ULTIM MAX 100檢測為氧化鐵層，見圖4。
橫截面試樣表面和基體組織為回火屈氏體，圖5(a)，表面無明顯脫碳現象，基體晶粒度9.5級。在橫截面外彎處即開裂源對應部位發現表面有一厚度約15μm的不致密的氧化鐵層，見圖5(b)。而內彎及左右兩側部位表面較平整，未見明顯氧化鐵層和凹坑缺陷?？v截面夾雜物較少，評級結果見表2（參考標準GB/T 10561-2005）?？v截面基體組織為冷拉變形呈纖維狀分布的回火屈氏體見圖6(a)，與橫截面相似，外彎部位存在不致密的氧化鐵層且局部存在凹坑及小裂紋缺陷，見圖6(b)，其它部位未見明顯缺陷。
表2 縱截面夾雜物分析結果（GB/T 10561-2005）
圖4 外彎部位脆性層能譜定性分析
圖5 橫截面基體組織及外彎處小凹坑缺陷（左1000X 右500X）
圖6 縱截面截面基體組織及外彎處小裂紋缺陷（500X）
5.分析意見
5.1宏觀觀察：斷口開裂源位于樣品外彎局部部位，裂紋擴展區宏觀上呈放射狀，表明此階段疲勞擴展相對較快。斷裂區位于斷口開裂源相對的另一側邊緣呈一定角度，有明顯的剪切特征。
5.2 硬度測試：結果表明送檢斷裂彈簧樣品的硬度處于標準要求硬度范圍的下限水平（參考標準JIS G3560-1994）。
5.3斷口觀察：斷口開裂源區位于彈簧外彎局部部位，周圍有較為平坦的弧型疲勞區，疲勞紋較致密，表明初期疲勞裂紋擴展相對較慢。裂紋擴展區微觀上是相對較寬的疲勞紋，表明此階段疲勞擴展相對較快。斷裂區位于斷口開裂源相對的另一側邊緣，有明顯的剪切特征。
5.4金相分析：1）試樣縱截面夾雜物較少；2）試樣橫截面和縱截面表面均無明顯脫碳現象；3）橫截面基體組織為分布較均勻的回火屈氏體，縱截面基體組織是變形呈纖維狀分布的回火屈氏體，表明材料存在一定的成分偏析；4）試樣橫截面與縱截面外彎部位均存在深度約15微米的氧化鐵層，有的部位氧化鐵脫落形成凹坑缺陷，有的部位存在小裂紋缺陷。這些表面缺陷都會成為應力集中源，受力后為材料早期斷裂埋下隱患。
5.5綜上所述：送檢疲勞試驗早期斷裂的彈簧樣品，其斷口處外彎部位存在氧化鐵層、凹坑及小裂紋等缺陷，這些缺陷易產生應力集中，疲勞試驗過程中在外彎（受拉面）薄弱的缺陷部位產生疲勞開裂，然后以疲勞方式向內部擴展，直至在內彎邊緣部位產生整體斷裂。另外，該彈簧硬度偏下限，對其疲勞性能也有一定影響。
歐波同材料分析研究中心
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