扭簧斷裂失效分析

摘要

通過形貌觀察、成分分析、切片分析等檢測手段對扭簧在生產組裝過程中斷裂失效原因進行了分析，結果表明扭簧在R角折彎內側表面存在較多細微裂紋，且內部存在較多AlN夾雜物裂紋缺陷。當扭簧在裝配過程中受力后，R角應力集中位置表面缺陷處會形成裂紋源，而后裂紋會在內部沿夾雜物界面擴展，使扭簧發生斷裂。

背景

此次失效的產品為扭簧，在生產組裝過程中發現R角折彎處斷裂，斷裂扭簧、未裝配扭簧的外觀圖如圖1所示，分別記為試樣NG、OK。扭簧為SUS631不銹鋼絲經卷制后熱處理而成，扭簧絲直徑0.34mm，內徑3.15mm，扭簧裝配后受力120g~150g。

圖1 扭簧外觀圖

分析項目

1. 斷口分析

斷口起源于R角折彎內側，平行于扭簧受力臂，斷口陡峭，剪切區面積較大。圖2所示為NG扭簧斷口微觀形貌，裂紋源起源于扭簧R角折彎內側表面，折彎內側可見明顯表面裂紋（如圖2-B及圖2-D），裂紋源區裂紋擴展方向垂直受力方向，且存在較多夾雜物缺陷（如圖2-C），斷口中心部分區域呈韌窩+纖維狀組織特征，同時存在大量相互平行的夾雜物裂紋缺陷，沿扭簧絲變形方向呈長條狀分布，長條狀裂紋前端可見明顯塊狀夾雜物（如圖2-E），而剪切區平坦，同樣見較多夾雜物缺陷（如圖2-F）。

圖2 NG扭簧斷口顯微形貌

圖3為斷口纖維區能譜分析，由表1中列出的結果可知，夾雜物裂紋缺陷前端的夾雜主要為AlN夾雜物。

圖3 NG扭簧斷口能譜分析

表1 NG扭簧斷口能譜分析結果（wt%）

圖4為OK扭簧R角折彎內側表面形貌，R角折彎內側表面可見較多的細微裂，裂紋垂直于扭簧受力臂，與斷裂扭簧裂紋源表面的裂紋形貌一致。

圖4 未裝配OK扭簧折彎處形貌

1. 切片觀察

NG扭簧斷口截面浸蝕前形貌如圖5所示。裂紋擴展方向見圖5-A（紅色箭頭），裂紋源區平坦，垂直扭簧受力方向，之后裂紋呈鋸齒狀擴展，總體方向平行于受力方向。圖5-B、圖5-C及圖5-D所示為纖維區微觀形貌，斷口呈明顯的鋸齒臺階撕裂狀，平行于扭簧受力臂方向的長段裂紋對應于斷口夾雜物裂紋缺陷形貌，裂紋沿夾雜物裂紋缺陷擴展。NG扭簧截面其他區域可見明顯長條狀夾雜物裂紋缺陷，沿變形方向分布。條狀塊狀夾雜物裂紋缺陷在整個截面均有分布，且夾雜物裂紋缺陷相互間的間距較小。由能譜分析結果可知，夾雜物與斷口表面觀察的結果一致，均為AlN塊狀夾雜。

圖5 NG扭簧斷口浸蝕前截面形貌

圖6為NG扭簧截面浸蝕后組織形貌，浸蝕后的組織可見細小的變形馬氏體組織，其間可見數量較多的長條狀夾雜物裂紋缺陷（紅色箭頭所指），形貌與斷口存在的長條狀裂紋缺陷一致。

圖6 NG扭簧斷口浸蝕后截面組織形貌

圖7為未裝配OK扭簧未浸蝕前截面形貌，次表面可見明顯裂紋缺陷，其它區域可見長條狀夾雜物裂紋缺陷。由能譜分析可知，夾雜物為AlN。浸蝕后的微觀形貌見圖8，其夾雜物形貌及種類與NG扭簧一致。

圖7 未裝配OK扭簧未浸蝕前截面形貌

圖8 未裝配OK扭簧浸蝕后截面組織形貌

綜合分析

由斷口分析可知， NG扭簧裂紋源起源于R角折彎內側表面裂紋。斷口纖維區以韌窩為主，分布較多相互平行的長條狀夾雜物裂紋缺陷，裂紋沿夾雜物分布方向擴展。裂紋源區垂直于扭簧受力方向，斷口呈鋸齒狀，整體平行于扭簧受力臂。

扭簧截面組織觀察可知，NG扭簧及未裝配OK扭簧均存在較多的內部裂紋缺陷，此內部裂紋缺陷均為沿材料變形方向、截面均有分布，裂紋前端為塊狀AlN夾雜，而后端可見細小的裂紋，無夾雜物填充。由以上分析可知：內部裂紋缺陷為硬質夾雜物AlN在扭簧絲形變成型過程中隔裂基體材料而形成，裂紋缺陷較長，相互平行而又分布密集且間隔小。

圖9 扭簧R角折彎處應力云圖

結合以上分析，扭簧R角折彎處內側表面可見明顯裂紋缺陷，內部分布較多沿變形方向的相互平行的長條狀裂紋缺陷，隔斷基體材料的連續性，折彎處變形量最大，裂紋缺陷最多，此處材料強度最低。在受力后，R角折彎內側表面應力最大，應力云圖見圖9，在存在表面微裂紋的情況下，將成為裂紋源。初始裂紋在未擴展到夾雜物裂紋缺陷時，受拉應力控制，擴展方向垂直受力方向，見裂紋中的垂直扭簧受力臂臺階；當裂紋擴展至夾雜物缺陷，此時裂紋將沿內部缺陷裂紋擴展，此時裂紋擴展方向與在扭簧受力方向平行；當擴展到夾雜物裂紋缺陷末端時，擴展將還原為拉應力控制，繼續擴展直至下一次擴展至夾雜物裂紋缺陷。

結論

綜上可知，扭簧斷裂原因為：

1、扭簧R角折彎內側表面存在較多細微裂紋缺陷。在扭簧裝配過程中受力后，應力集中位置的表面缺陷會形成裂紋源；

2、扭簧內部存在較多沿變形方向分布的相互平行的長條狀夾雜物缺陷，破壞材料連續性，降低強度，裂紋易在內部沿長條狀夾雜物界面擴展，使扭簧發生斷裂。

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