某廠疲勞試驗過程中發(fā)生早期斷裂的彈簧材質(zhì)為SWOSC-B，裝配在漲緊輪中，于扭轉(zhuǎn)試驗運行約1200次時發(fā)生斷裂，其化學成分在正常范圍內(nèi)，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(jié)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(chǎn)生應(yīng)力集中，因此疲勞試驗過程中在薄弱的缺陷部位產(chǎn)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(huán)向側(cè)面局部有“摩擦”后遺留的斷續(xù)分布的“小亮區(qū)”。觀察斷口橫截面發(fā)現(xiàn)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(qū)，裂紋擴展區(qū)呈放射狀，斷裂區(qū)位于另一側(cè)內(nèi)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(jié)果見表1。根據(jù)標準JIS G3560-1994，此失效彈簧直徑約5 mm，對應(yīng)拉伸強度1760-1910 N/mm2，換算為洛氏硬度為50.5-53.0 HRC。結(jié)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(jié)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(qū)、斷裂區(qū)。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(xù)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(qū)呈放射狀向外擴展，見圖3(e)、3(f)；斷裂區(qū)位于斷口另一側(cè)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(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)整體低倍形貌

圖3 斷口各區(qū)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(yīng)部位均觀察到表面覆著一厚度約15μm的不致密脆性層，經(jīng)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(xiàn)象，基體晶粒度9.5級。在橫截面外彎處即開裂源對應(yīng)部位發(fā)現(xiàn)表面有一厚度約15μm的不致密的氧化鐵層，見圖5(b)。而內(nèi)彎及左右兩側(cè)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(jié)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(jié)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(qū)宏觀上呈放射狀，表明此階段疲勞擴展相對較快。斷裂區(qū)位于斷口開裂源相對的另一側(cè)邊緣呈一定角度，有明顯的剪切特征。

　　5.2 硬度測試：結(jié)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(qū)位于彈簧外彎局部部位，周圍有較為平坦的弧型疲勞區(qū)，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(qū)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(qū)位于斷口開裂源相對的另一側(cè)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(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞試驗過程中在外彎（受拉面）薄弱的缺陷部位產(chǎn)生疲勞開裂，然后以疲勞方式向內(nèi)部擴展，直至在內(nèi)彎邊緣部位產(chǎn)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

　　歐波同材料分析研究中心（以下簡稱“研究中心”）隸屬于歐波同（中國）有限公司，研究中心成立于2016年，是歐波同順應(yīng)市場需求重金打造的高端測試分析技術(shù)服務(wù)品牌。旗下的核心團隊由一大批“千人計劃”、杰出青年和海歸博士組成，可為廣大客戶提供系統(tǒng)性的檢測解決方案。研究中心以客戶需求為主導，致力于高端顯微分析表征技術(shù)在國內(nèi)各行業(yè)的推廣，旨在通過高質(zhì)量的測試分析服務(wù)幫助客戶解決在理論研究、新產(chǎn)品開發(fā)、工藝（條件）優(yōu)化、失效分析、質(zhì)量管控等過程中遇到的一系列材料顯微表征和分析的問題。