弹簧疲劳断裂案例分析

《弹簧疲劳断裂案例分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、弹簧疲劳断裂案例分析一·引言现代工业社会的不断进步，人类生活质量不断提高，对工业产品各项功能的“安全性”、“环保型”、“舒适性”程度要求越来越高。弹簧作为工业产品中不可缺少的基础元件，弹簧的性能直接关系到工业产品整体的质量水平的高低。关于弹簧的问题中，经常碰到和最终要解决的问题是“弹簧疲劳断裂及应力松弛”。这是弹簧工作过程中失效的两种主要形式。弹簧工作中后者更为普遍。应力松弛及弹性衰减的现象意味着弹簧弹性功能的部分丧失，甚至全部丧失。由此可见，提高弹簧疲劳寿命研究应力松弛和弹性衰退的规律及影响因素，对研制新的弹簧材

2、料及抗应力处理技术，对不断提高企业和行业竞争力，对国民经济的发展，不断提高我国弹簧产品及弹性材料研制的科学技术水平，都有重大意义。二·弹簧的疲劳断裂通常疲劳断口是由疲劳源、裂纹扩展区、最后瞬时断裂区三部分组成。疲劳源有时非常清楚，有时则不清晰。裂纹扩展区和最后瞬时断裂区则是主要组成部分。裂纹扩展区的特征：表面比较平滑，是裂纹缓慢扩展、裂纹面相互接触及摩擦造成的结果。它是一种脆性的断裂特征，裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直。通常可以用肉眼发现断口上呈现海滩状、贝壳状或年轮状的花样。可以根据裂纹扩展方向与海滩状条纹相垂

3、直的现象及其曲率半径最小的特征来确定弹簧断裂的疲劳源。瞬时断裂区特征：疲劳裂纹不断扩展到一定程度后，有效的承载面积不断减少，相应的工作应力逐渐增大，当该应力超过了弹簧的断裂应力时，弹簧就会瞬时断裂。其特征是断口比较粗糙、凹凸不平。疲劳断裂的微观特征：疲劳裂纹大多数在晶粒边界、相界、夹杂物和脆性碳化物之间开始生成，然后逐渐向内扩展。疲劳断口的微观特征主要表现在裂纹扩展区上。扩展区的主要微观特征是疲劳条带。疲劳条带有以下特征：①条带的形态是起伏或涟波状；②每一条带代表一次循环载荷；③由条带可以断定裂纹前沿线在前进时的位

4、置；④条带有脆性和塑性的。三·案例分析（1）轿车气门弹簧断裂①事故描述：气门弹簧是汽车发动机的重要零部件，它不仅控制发动机气门的开闭，还是极为重要的安全部件，故各汽车厂商对发动机气门弹簧的质量都极为重视，内燃机气门弹簧技术条件JB/T10591-2007要求其台架疲劳试验2300万次不断裂。某型号轿车在出厂后行驶199km时出现发动机异响、怠速抖动现象，经检查后发现一只气门弹簧断裂。图为弹簧断口电子显微镜下照片②原因分析：通过观察可知，断裂源处对应的弹簧表面有一条长轴长为0.82mm、短轴长为0.43mm的近似椭圆

5、的凹坑。由下图可以发现：弹簧断痕表面的凹坑中不但没有喷丸迹象，而且存在明显的刮擦痕迹，说明该凹坑并非油淬火回火弹簧钢丝表面存在的凹坑缺陷遗传至此，而是在弹簧制好剐蹭产生的。同时图中也告诉我们断裂源处弹簧表面有一层覆盖物，该覆盖物起源于凹坑一侧，由此可断定该覆盖物为凹坑位置的金属材料转移至此。由此可以推断，偶然因素使弹簧受外力冲击刮蹭，形成了上述的凹坑，并在冲击刮擦凹坑底部时产生集中应力。气门弹簧在服役期间承受交变应力，最大拉应力位于弹簧次表层，而凹坑底部的应力集中和最大拉应力相互叠加作用，造成气门弹簧服役早起在剪切

6、力的作用下，凹坑下面形成疲劳断裂源，并迅速扩展，从而引起早起疲劳断裂。由于该断裂的原因是使用不当，所以我们以人为该断裂直接从裂纹扩展阶段开始。教材中解释过，疲劳裂纹的起始阶段占整个疲劳断裂过程的百分之九十的时间，所以气门弹簧的疲劳寿命只剩下了百分之十左右了。这也不难解释气门弹簧在使用了很短一段时间就会断裂了。此时影响裂纹扩展的主要因素是应力强度因子K:K=βSπa由公式我们可以因为β是无纲量，所以K的值由a来决定。随着裂纹的逐渐扩展K值不断增大。当K=Kmax时弹簧就会发生断裂。③预防措施：通过对弹簧的化学成分分析

7、，其化学成分符合国家标准要求。但是在后期加工处理工艺上存在漏洞，缺少喷丸这一工艺环节。教材中告诉我们喷丸可以有效去除残余应力从而缓解疲劳损伤，延长弹簧的使用寿命。因为，如果生产厂家能在加工过程中，增加喷丸这一工艺环节则可以有效延长气门弹簧的使用寿命。但是在这个案例中，由于刮擦导致的弹簧表面出现的凹痕则是导致疲劳断裂的主要原因，所以喷丸工艺只能适当的缓解这一问题。要从根本解决案例中的疲劳断裂问题，可以通过无损检测的手段来提前挑出有缺陷的零部件，从而提高产品的安全性，减小经济损失。其中目视法则是最经济的无损检测方法，若

8、想在此基础上提高检测的准确性，磁粉检测和超声波检测也可以被采纳。④维护维修：此类问题属于人为无意识导致的裂纹损伤，所以发动机不出现异常很难发现其中的裂纹，而当发动机真的发生故障时，一般弹簧已经断裂而无法修复，所以没有一个有效的办法在弹簧没有断裂前进行修复。(2)转k2转向架弹簧断裂分析①事故描述：转k2弹簧的工艺流程为：原材料入厂检验→下料→制扁→加热卷制→