轴箱外圈弹簧疲劳断口分析范文

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《工程与试验杂志》2014年第四期

1材质分析

在断裂轴箱外圈弹簧上截取材质化学成分，分析试样，采用德国SPECTROM8直读光谱仪进行材质分析的结果见表1。可见，该轴箱外圈弹簧的材质符合EN10089：2002标准中51CrV4弹簧钢要求。

2金相检测

根据《钢中非金属夹杂物含量的测定－标准评级图显微检验法》（GB／T10561－2005）和德国《金相试验方法特殊钢中非金属夹杂物的高倍金相检验》（DIN50602：1985），采用NEOPHOT－32光学金相显微镜观察并进行夹杂物等级的评定，评级结果见表2。按照EN13298：2003标准要求，当弹簧棒料直径在17mm～35mm范围时，K3≤40。可见，夹杂物的检测结果符合标准要求。根据《金属平均晶粒度测定方法》（GB／T6394－2002）检测，断裂轴箱外圈弹簧的原奥氏体平均晶粒度为8级，满足EN13298：2003标准规定的晶粒度不低于6级的要求。在断裂轴箱外圈弹簧疲劳裂纹源区的未开裂裂纹处截取断口金相试样，采用NEOPHOT－32光学金相显微镜进行金相检测。试样抛光后检查，裂纹源区的弹簧表面既无材料冶金缺陷，也无机加工产生的表面缺陷，但在裂纹源区附近的弹簧表面上的局部磕痕区域内，有长度约0．85mm的未开裂裂纹。该裂纹的裂缝内无腐蚀产物，其裂纹起始端的裂缝较宽，尾端较细，显示该裂纹有扩展迹象，见图5。试样浸蚀后在金相显微镜下检查，裂纹源区弹簧表面及未开裂裂纹两侧均无氧化脱碳现象，基体金相组织为正常的回火屈氏体。

3硬度检测

在该轴箱外圈弹簧断裂位置附近截取硬度试样，采用TH320型洛氏硬度计，对弹簧表面和弹簧心部区域分别进行硬度检测。实测断裂弹簧的表面硬度48．2、48．4、48．3HRC，心部硬度47．3、47．6、47．2HRC。可见，此弹簧的表面硬度、弹簧表面硬度与弹簧中心带的硬度差均符合EN13298：2003标准要求。

4结果分析与讨论

检验结果表明，断裂轴箱外圈弹簧的材质、夹杂物含量、原奥氏体晶粒度、硬度检测结果均符合EN13298：2003标准要求。热处理淬回火后的显微组织为正常的回火屈氏体，无氧化脱碳现象，同时弹簧表面也无加工缺陷。因此，可排除弹簧原材料和热处理因素的影响。从疲劳裂纹源区附近弹簧表面上的未开裂裂纹来看，该裂纹的裂缝内无腐蚀产物，也可以排除因腐蚀产生疲劳断裂的可能性。

一般来讲，由于弹簧的支撑圈和工作圈的过渡部分间距小于工作圈之间的间距，若弹簧制造中弹簧支撑圈部分与工作圈的螺旋角不能完全精确吻合，这将使得弹簧支撑圈和工作圈之间达不到均匀的线接触，则在工作载荷作用下，使过渡处的局部点接触区域内产生很大的应力集中，从而在弹簧支撑圈与工作圈的局部点接触区域产生过高的接触应力，这将使弹簧表面不仅产生局部材料的塑性变形、磨损，甚至会产生剥离裂纹。

宏观分析断裂轴箱外圈弹簧，在支撑圈和工作圈的过渡区域，存在局部点接触产生的磕痕；微观分析磕痕区域内的未开裂裂纹，内无腐蚀产物。可以确定，该裂纹属于剥离裂纹。由此可见，在工作状态下，该轴箱外圈弹簧位于支撑圈与工作圈之间先后产生局部点接触、剥离裂纹和剥离裂纹末端区域萌生疲劳裂纹，此疲劳裂纹扩展至一定程度后，最终导致此轴箱外圈弹簧发生早期疲劳断裂。7结论该轴箱外圈弹簧在运行中由于支撑圈与工作圈之间产生局部点接触，这是其发生早期疲劳断裂的主要原因。

作者：逯连文 郭莉萍 刘晓琴 单位：长春轨道客车股份有限公司 质量保证部理化检验室