摘 要:某單元制動(dòng)缸的緩解彈簧在檢修測(cè)試過(guò)程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法對(duì)該彈簧的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該彈簧加 載后在應(yīng)力與氫的交互作用下,逐漸形成平整的裂紋源區(qū),裂紋快速擴(kuò)展,最終發(fā)生脆性斷裂。

關(guān)鍵詞:單元制動(dòng)缸;彈簧;60Si2Mn鋼;氫脆;斷裂

中圖分類號(hào):TG142.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)07-0053-03

單元制動(dòng)缸是決定列車運(yùn)行安全的重要部件, 在其組裝完成或定期使用后必須進(jìn)行測(cè)試,以確保 其狀態(tài)良好。某單元制動(dòng)缸在定期檢修測(cè)試過(guò)程 中,發(fā)現(xiàn)其緩解量不夠,經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)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(shù)n=5,彈簧是返修彈簧,為防止 彈簧使用過(guò)程中發(fā)生銹蝕,在返修過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行 了電鍍鋅防銹處理(鍍層厚度要求為7~10μm),彈簧原始表面防銹工藝為發(fā)黑處理。為查明彈簧 斷裂原因,筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析,以 防止類似事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)該單元制動(dòng)缸的斷裂彈簧進(jìn)行宏觀觀察,其 宏觀形貌如圖1所示,發(fā)現(xiàn)斷面均呈不規(guī)則狀。經(jīng) 拆卸后發(fā)現(xiàn)該緩解彈簧已斷裂成了3部分。

1.2 化學(xué)成分分析

按照 GB/T20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的 測(cè)定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》和GB/T20125—2006《低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 電感耦合等離子體原子發(fā)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(fā)射光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分 分析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)彈簧的化學(xué)成分符合 GB/T1222—2016 《彈 簧 鋼》中 對(duì) 60Si2Mn 鋼 的 要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

將斷 裂 彈 簧 斷 口 經(jīng) 制 樣、拋 光、侵 蝕 后,采 用 DMM-480C 型 倒 置 式 光 學(xué) 顯 微 鏡,按 照 GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)其進(jìn)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(shù)要 求,試樣存在輕微的脫碳現(xiàn)象。脫碳深度檢驗(yàn)結(jié)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(shù)要求。

1.4 硬度測(cè)試

按照 GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度 試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》的試驗(yàn)方法,采用 VH5LA 型維氏硬度計(jì)測(cè)試彈簧的硬度,測(cè)試結(jié)果如表 3所示。由表3可見(jiàn)彈簧的次表面層硬度已超出技 術(shù)要求的上限,心部硬度測(cè)試結(jié)果也處于技術(shù)要求 的上限。

1.5 掃描電鏡分析

用掃描電鏡(SEM)對(duì)彈簧斷口形貌進(jìn)行觀察, 結(jié)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(jiàn)斷口無(wú)舊斷口 特征,斷口處存在較平整的區(qū)域 A、明顯放射狀條紋 (或稱撕裂棱)的擴(kuò)展區(qū)域 B 和 C,以及最后斷裂剪 切特征的區(qū)域 D;A 區(qū)為斷裂起始區(qū),該區(qū)域呈橢圓 型分布,斷面平整,其邊緣存在明顯的放射狀應(yīng)力臺(tái) 階,微觀形貌為準(zhǔn)解理;B 區(qū)和 C 區(qū)為斷裂擴(kuò)展區(qū), 斷口呈現(xiàn)韌性花樣,沿由韌窩構(gòu)成的晶界面擴(kuò)展,且 存在細(xì)小的、發(fā)育不完整的韌窩,斷口存在明顯放射 狀應(yīng)力臺(tái)階,微觀上為準(zhǔn)解理斷裂;D區(qū)為最后斷裂 區(qū),沿著擴(kuò)展區(qū)撕裂棱的裂紋,隨著應(yīng)力的增加,裂 紋相互貫通形成一個(gè)貫穿的剪切面,且斷口邊緣呈 現(xiàn)傾斜斷面,微觀上為剪切斷裂。

2 綜合分析

上述理化檢驗(yàn)結(jié)果表明:彈簧的化學(xué)成分符合 GB/T1222—2016對(duì)60Si2Mn鋼的要求;彈簧的次 表面層硬度已超出技術(shù)要求的上限(48.0HRC),心 部硬度也處于技術(shù)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(xiàn)象; SEM 觀察到斷口存在平整的斷裂起始區(qū),斷裂起始 區(qū)的微觀形貌以準(zhǔn)解理為主,部分存在微裂紋特征, 在斷裂起始區(qū)邊緣呈現(xiàn)有明顯的放射狀應(yīng)力臺(tái)階; 此外,斷口還存在明顯的快速擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂的 剪切區(qū);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(fā) 生基體或鍍層滲氫,會(huì)引起鍍層鼓泡和脫皮,甚至產(chǎn) 生氫脆并導(dǎo)致彈簧斷裂。在檢修過(guò)程中對(duì)該單元制 動(dòng) 缸彈簧進(jìn)行了返修處理,返修過(guò)程中采用電鍍鋅防銹處理,彈簧檢修前原始表面防銹工藝為發(fā)黑處 理且運(yùn)行正常,由此可見(jiàn)檢修前是沒(méi)有氫脆現(xiàn)象的。 經(jīng)確認(rèn),該彈簧經(jīng)電鍍鋅處理后未進(jìn)行去氫處理就 投入使用,當(dāng)其硬度過(guò)高時(shí),就會(huì)產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象,導(dǎo) 致彈簧發(fā)生早期斷裂[1-2]。

綜上所述:該彈簧在測(cè)試加載前并不存在裂紋 源,加載后由于應(yīng)力與氫的交互作用逐漸形成平整 的斷裂起始區(qū)(或稱裂紋源區(qū)),最終導(dǎo)致其發(fā)生脆 性斷裂[3-6]。

3 結(jié)論與建議

該單元制動(dòng)缸的緩解彈簧在加載后,由于應(yīng)力 與氫的交互作用逐漸形成裂紋源,因此裂紋快速擴(kuò) 展并最終引發(fā)氫脆斷裂。

建議采用低氫脆風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)黑(發(fā)藍(lán))、磷化方法 對(duì)彈簧進(jìn)行表面防銹處理。同時(shí)在恒溫電烘箱內(nèi)進(jìn)行除氫處理,烘箱配鼓風(fēng)機(jī),使箱內(nèi)的溫度均勻。溫 度和時(shí)間參數(shù)根據(jù)彈簧的硬度、服役情況進(jìn)行改進(jìn)。

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