摘 要:某單元制動缸的緩解彈簧在檢修測試過程中發生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、 硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法對該彈簧的斷裂原因進行了分析。結果表明:該彈簧加 載後在應力與氫的交互作用下,逐漸形成平整的裂紋源區,裂紋快速擴展,最終發生脆性斷裂。

關鍵詞:單元制動缸;彈簧;60Si2Mn鋼;氫脆;斷裂

中圖分類号:TG142.1 5 文獻标志碼:B 文章編号:1001-4012(2022)07-0053-03

單元制動缸是決定列車運行安全的重要部件, 在其組裝完成或定期使用後必須進行測試,以确保 其狀态良好。某單元制動缸在定期檢修測試過程 中,發現其緩解量不夠,經拆解發現其中的緩解彈簧 斷裂。彈簧 材 料 為 60Si2Mn 鋼,彈 簧 自 由 高 度 為 (165±3)mm,彈簧中徑為 90.5 mm,鋼絲直徑為 6.5mm,有效圈數n=5,彈簧是返修彈簧,為防止 彈簧使用過程中發生鏽蝕,在返修過程中對其進行 了電鍍鋅防鏽處理(鍍層厚度要求為7~10μm),彈簧原始表面防鏽工藝為發黑處理。為查明彈簧 斷裂原因,筆者進行了一系列理化檢驗與分析,以 防止類似事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對該單元制動缸的斷裂彈簧進行宏觀觀察,其 宏觀形貌如圖1所示,發現斷面均呈不規則狀。經 拆卸後發現該緩解彈簧已斷裂成了3部分。

1.2 化學成分分析

按照 GB/T20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的 測定高頻感應爐燃燒後紅外吸收法(常規方法)》和GB/T20125—2006《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》的要求在斷裂 彈簧上取樣,采用 CS-200 型 紅 外 碳 硫 儀 和ICPS7510型電感耦合等離子發射光譜儀進行化學成分 分析,結果如表1所示,可見彈簧的化學成分符合 GB/T1222—2016 《彈 簧 鋼》中 對 60Si2Mn 鋼 的 要求。

1.3 金相檢驗

将斷 裂 彈 簧 斷 口 經 制 樣、抛 光、侵 蝕 後,采 用 DMM-480C 型 倒 置 式 光 學 顯 微 鏡,按 照 GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對其進行分 析觀察,試樣的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2 可知:彈簧基體組織為均勻回火屈氏體,符合技術要 求,試樣存在輕微的脫碳現象。脫碳深度檢驗結果 如表2所示(表中D 為彈簧直徑)。由表2可知:彈 簧的總脫碳深度符合技術要求。

1.4 硬度測試

按照 GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度 試驗 第1部分:試驗方法》的試驗方法,采用 VH5LA 型維氏硬度計測試彈簧的硬度,測試結果如表 3所示。由表3可見彈簧的次表面層硬度已超出技 術要求的上限,心部硬度測試結果也處于技術要求 的上限。

1.5 掃描電鏡分析

用掃描電鏡(SEM)對彈簧斷口形貌進行觀察, 結果如圖3所示。從圖3可以看出:斷口處未觀察 到孔洞、夾雜等冶金缺陷;低倍下可見斷口無舊斷口 特征,斷口處存在較平整的區域 A、明顯放射狀條紋 (或稱撕裂棱)的擴展區域 B 和 C,以及最後斷裂剪 切特征的區域 D;A 區為斷裂起始區,該區域呈橢圓 型分布,斷面平整,其邊緣存在明顯的放射狀應力台 階,微觀形貌為準解理;B 區和 C 區為斷裂擴展區, 斷口呈現韌性花樣,沿由韌窩構成的晶界面擴展,且 存在細小的、發育不完整的韌窩,斷口存在明顯放射 狀應力台階,微觀上為準解理斷裂;D區為最後斷裂 區,沿着擴展區撕裂棱的裂紋,随着應力的增加,裂 紋相互貫通形成一個貫穿的剪切面,且斷口邊緣呈 現傾斜斷面,微觀上為剪切斷裂。

2 綜合分析

上述理化檢驗結果表明:彈簧的化學成分符合 GB/T1222—2016對60Si2Mn鋼的要求;彈簧的次 表面層硬度已超出技術要求的上限(48.0HRC),心 部硬度也處于技術要求的上限;彈簧基體顯微組織 為均勻回火屈氏體;彈簧表面存在輕微的脫碳現象; SEM 觀察到斷口存在平整的斷裂起始區,斷裂起始 區的微觀形貌以準解理為主,部分存在微裂紋特征, 在斷裂起始區邊緣呈現有明顯的放射狀應力台階; 此外,斷口還存在明顯的快速擴展區和最後斷裂的 剪切區;彈簧表面不存在凹陷、孔洞或夾雜物等冶金 缺陷。

電鍍鋅工藝在除油、酸蝕、鍍鋅工序中,均易發 生基體或鍍層滲氫,會引起鍍層鼓泡和脫皮,甚至産 生氫脆并導緻彈簧斷裂。在檢修過程中對該單元制 動 缸彈簧進行了返修處理,返修過程中采用電鍍鋅防鏽處理,彈簧檢修前原始表面防鏽工藝為發黑處 理且運行正常,由此可見檢修前是沒有氫脆現象的。 經确認,該彈簧經電鍍鋅處理後未進行去氫處理就 投入使用,當其硬度過高時,就會産生氫脆現象,導 緻彈簧發生早期斷裂[1-2]。

綜上所述:該彈簧在測試加載前并不存在裂紋 源,加載後由于應力與氫的交互作用逐漸形成平整 的斷裂起始區(或稱裂紋源區),最終導緻其發生脆 性斷裂[3-6]。

3 結論與建議

該單元制動缸的緩解彈簧在加載後,由于應力 與氫的交互作用逐漸形成裂紋源,因此裂紋快速擴 展并最終引發氫脆斷裂。

建議采用低氫脆風險的發黑(發藍)、磷化方法 對彈簧進行表面防鏽處理。同時在恒溫電烘箱内進行除氫處理,烘箱配鼓風機,使箱内的溫度均勻。溫 度和時間參數根據彈簧的硬度、服役情況進行改進。

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:53-55)>

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