液壓彈簧操動機構碟形彈簧斷裂原因分析

王建偉，宋 超，張地生

(西安西電高壓開關有限責任公司，西安 710018)

0 引言

碟形彈簧是用金屬板料或鍛壓坯料加工成圓錐形截面，能承受軸向負荷的墊圈式彈簧。碟形彈簧可分為無支承面和有支承面2種，可以單個使用，也可對合組合、疊合組合或復合組合成碟形彈簧組使用，承受靜負荷或變負荷。碟形彈簧的工藝過程:下料→車加工→去毛刺→消除應力→成形→熱處理→強壓→噴丸→表面處理。

50CrVA鋼具有良好的力學性能和工藝性能，淬透性較高，加入V使鋼的晶粒細化，降低過熱敏感性，提高了強度和韌性，具有高的疲勞強度，屈服比也較高，是一種較高級彈簧鋼，廣泛應用于液壓操動機構的碟形彈簧。

由于單片碟形彈簧的變形量和負荷值往往不能滿足使用要求，須采用疊合組合，組成碟形彈簧組合件時，碟形彈簧片之間由于摩擦而具有較大的阻尼，可消散沖擊能量。碟形彈簧是在軸向上呈錐形并承受負載的特殊彈簧，在承受負載變形后，儲蓄一定的勢能，其應力分布由里到外均勻遞減，能夠實現低行程高補償力的效果。碟形彈簧單位體積的變形能較大，用于吸收沖擊和消散能量，但在受到載荷長期沖擊作用時，易產生徑向貫穿裂紋［1－4］。碟形彈簧工作時位于其凹面內環面和端面交界處，承載最大交變切應力，疲勞裂紋源往往在此處產生并不斷擴展，最終導致零部件斷裂失效。在變應力工作下的零件，疲勞斷裂是最主要的失效形式之一［5－7］。

2012年8月，2種型號的操動機構產品所使用的碟形彈簧發生斷裂失效。圖1a為8片碟形彈簧裝配狀態圖，設計使用壽命為動作1.2萬次，其在操作了300次發生斷裂，斷口如圖1b，編號為試樣1;圖2a為16片碟形彈簧裝配狀態圖，該碟形彈簧操作了600次發生了斷裂，斷口如圖2b，編號為試樣2。發生斷裂失效的2種型號碟形彈簧材質均為50CrVA，規格為外徑550mm，內徑200mm，厚度17mm，高度38.5mm。為尋求斷裂失效原因，對斷裂碟形彈簧的斷口剖面進行了相關檢測并進行系統分析。

1 試驗過程與結果

1.1 化學成分分析

將試樣1和試樣2分別銑平打磨后，采用ARL 3460直讀光譜儀(OES)對其進行化學成分分析，結果見表1?？梢钥闯?，試樣1和試樣2的化學成分基本相同，且均符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中對50CrVA鋼的技術要求。

圖1 8片碟形彈簧與斷口宏觀形貌Fig.1 8－piece disc spring and macro morphology of the fracture

圖2 16片碟形彈簧與斷口宏觀形貌Fig.2 16－piece disc spring and macro morphology of the fracture

表1 碟形彈簧的化學成分(質量分數 /%)Table 1 Chemical compositions of disc spring(mass fraction/%)

1.2 硬度測試

將銑平打磨后的試樣1和試樣2分別進行洛氏硬度測試，結果見表2?？梢钥闯?，試樣1和試樣2的6個硬度平均值接近，且符合 GB/T 1972—2005《碟形彈簧》的要求。

表2 碟形彈簧的洛氏硬度Table 2 Rockwell hardness of disc spring

1.3 斷口宏觀分析

由圖1b和圖2b可以看出，試樣1和試樣2的宏觀斷口均存在明顯的疲勞裂紋源區、擴展區和瞬斷區，屬于疲勞斷口，其疲勞裂紋源均發生在碟形彈簧凹面內環面和端面交界處，二者的擴展方式也相似［8－10］。

1.4 顯微分析

試樣1和試樣2經鑲嵌、磨拋、腐蝕后用金相顯微鏡及掃描電鏡進行顯微組織觀察(圖3)，可以看出，試樣1和試樣2的顯微組織均為由鐵素體基體與大量彌散分布的細粒狀滲碳體混合而成的回火屈氏體［11－12］。表面有極微量的脫碳現象，可忽略不計。

在試樣1和試樣2的垂直斷口剖面觀察到存在一些多邊形小空隙，即一般疏松，如圖4所示。一般疏松主要是由于在鋼錠凝固過程中，晶間部位最后凝固收縮和放出氣體而產生的小空隙，且這些空隙在后續熱加工過程中未被焊合。疏松不利于碟形彈簧疲勞強度，尤其位于受最大切應力的碟形彈簧凹面內環面和端面交界處［13］。

圖3 試樣顯微組織Fig.3 Microstructure of samples

圖4 試樣1垂直斷口截面Fig.4 Vertical section of the fracture(sample 1)

1.5 掃描電鏡分析

1)斷裂件表面缺陷分析。

將試樣1和試樣2用超聲波清洗后，在掃描電鏡下觀察其形貌。在試樣2的表面發現存在裂紋、疤痕和折迭等缺陷。表面微裂紋在熱壓力加工過程形成，機加工時未被切除而留在零部件上。宏觀裂紋如圖5a，其縫隙中黑色物質的能譜圖如圖5b，主要化學成分(質量分數)為:38.42%O，15.20%C，22.48%Zn，10.70%P，10.56%Fe，2.65%Mn，可見縫隙中的物質主要是Fe的氧化物［14－15］。表面折迭如圖6a，折迭是由于在熱壓力加工過程中將坯料的邊皮、表面疤痕、尖銳棱角等折附到鋼材表面，機加工過程中未被完全切除。表面疤痕如圖6b，它對碟形彈簧的疲勞強度有一定損害。

2)斷裂件斷口分析。

試樣1的疲勞裂紋源區如圖7a，此處還是疏松較集中部位(圖7b)，由能譜分析知，某些空隙中基體晶體表面覆蓋有氧化鐵(圖7c)。這些空隙自試樣表面已貫通到表面內部而形成預裂紋，在碟形彈簧凹面內環面和端面交界處最大交變切應力作用下，預裂紋優先發展成疲勞裂紋源。疲勞裂紋擴展區斷口由一些細小的窩坑構成，形貌呈韌窩狀［16］(圖7d)。

圖5 試樣2宏觀裂紋及其能譜圖Fig.5 Macrocracks and energy spectrum of sample 2

圖6 試樣2表面缺陷Fig.6 Surface defects of sample 2

圖7 試樣1表面微裂紋及其能譜圖Fig.7 Surface macrocracks and energy spectrum of sample 1

試樣2的疲勞裂紋源區如圖8a，也發生在凹面內環面和端面交界處，該區是疏松較集中部位(圖8b)，由能譜分析可知，某些空隙中基體晶體表面覆蓋有滲入的磷化液結晶體(圖8c)，表明這些空隙也聯通了試樣表面和表面內部而形成預裂紋，優先發展成疲勞裂紋源。疲勞裂紋擴展區斷口形貌也呈韌窩狀(圖8d)。

圖8 試樣2表面微裂紋及其能譜圖Fig.8 Surface micro cracks and energy spectrum of sample 2

2 分析與討論

疲勞源一般在表面形成，但如果構件內部存在缺陷，如脆性夾雜物、空洞、成分偏析，或進行了某種表面處理等，也可能在“皮下”或內部產生，由圖7a、圖7b可以看出，試樣1的疲勞裂紋源處存在較集中的疏松。疲勞源的數目有時不止1個，尤其是低周疲勞，斷口常有幾個位于不同位置的疲勞核心。

疲勞裂紋擴展區是疲勞斷口上最重要的特征區域，很多情況下，它占據了斷口的大部分區域。在此區內，表面比疲勞源區粗糙、發暗，?？梢娨恍┮粤鸭y源為中心，向四周擴散，垂直于裂紋擴展方向的一簇弧形條紋(圖1b、圖2b)。疲勞裂紋擴展到臨界尺寸后失穩擴展形成瞬斷區，它的特征與靜載拉伸斷口中快速斷裂的放射區及剪切唇相似，放射區和剪切唇的有無、大小與材料的特征及載荷歷程有關［17］。

碟形彈簧斷裂件試樣1和試樣2發生早期疲勞斷裂，主要是由于碟形彈簧凹面內環面和端面交界處存在較集中的疏松孔隙，且有的貫通至表面而形成預裂紋，其在最大交變切應力作用下造成應力集中，預裂紋優先發展成疲勞裂紋源并導致碟形彈簧斷裂［5］，碟形彈簧表面存在的折迭、微裂紋和疤痕也是碟形彈簧失效的安全隱患。

3 結論及建議

1)碟形彈簧斷口微觀特征為韌窩，表明彈簧受到的疲勞應力較大，在碟形彈簧凹面內環面和端面交界處存在較集中的疏松孔隙，且有的貫通至表面而形成預裂紋，在使用過程中可能存在受力不均，使得局部應力過大最大交變切應力作用下造成應力集中，預裂紋優先發展成疲勞裂紋源并擴展導致碟形彈簧斷裂。

2)盡可能降低零件上應力集中的影響，如增大過渡圓角半徑、同一零件上相鄰截面處的剛性變化盡可能小等。

3)選用疲勞強度高的材料和規定能夠提高材料疲勞強度的熱處理方法及強化工藝。

4)提高零件的表面質量，如提高處在應力較高區域零件表面的光潔度，對于工作在腐蝕性介質中的零件規定適當的表面保護等。

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