55CrSi弹簧钢的氢脆断裂分析

55CrSi弹簧钢的氢脆断裂分析 55CrSi 弹簧钢的氢脆断裂分析 陈再良，付海峰，吕东显 (北京机电研究所, 北京 100083) 摘 要:采用宏观和微观分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对 3 件失效的 55CrSi 钢弹簧的加工工艺和断口进行分析。结果表明，3 件失效宏观断口均为脆性 断裂，断裂源位于弹簧圈内，侧微观断口是沿晶脆性开裂且有许多内裂;失纹效弹簧均发生在热处理后的酸洗和镀锌处理工。失艺效 的主要原因是，酸洗和电镀后氢渗入高强度弹簧钢基, 在体弹簧圈内侧的拉应力作用，下经过一段时间后发生的氢致延迟脆断。同时 提出了一些减少氢致延迟脆断的建议。 关键词:55CrSi 弹簧钢;失效分析; 氢致延迟脆断 中图分类号:TG142.41 文献标志码:A Hydrogene mbrittlement analysis for 55CrSi spring steel CHEN Zai-liang, FU Hai-feng, LV Dong-xian, (Beng Researchn sttute of echanca andE ectrca Technoogy, Beng 100083,Chna) ijiIiMillillijiiAbstract: Processte chnology and fracture of threef ailure springs for 55CrSi steel werea nalyzed by macro andm icro analysis methodT. he results show the macfrroa ctures of all failure springs are brittle rupturef,r acture origin is in thei nner spring, micro fracture is intergranular brittle crack and la ot of cracks can observiend i ts inside. Failure springs are all happenedaf ter heat treatment anidck pling and galvanizing. The main reasono f the failure spring is the hydrogeinn filtration to the high strengths pring steel substrataef ter pickling and galvanizing. The spring is takenp lace hydrogend elay brittle rupture, becauosef the effect of tensile stressin the inner side of the spring ring. Somea dvices to reduceth e hydrogend elay brittle rupture of thes pring are putf orward. Key words: 55CrSi spring steel; failure analysis; hydrogend elay brittle rupture 由某弹簧有限公司委托对该厂提供的弹簧试样断口 (3 件)开裂问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行失效分析，主要分析失效弹簧的宏 [1-3]微观断裂形式，重点从弹簧加工工艺中酸洗和电镀工艺原因分析。同时对原 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的热处理工艺与组织是否正确 进行分析判断。 1 弹簧钢生产工艺和失效样品特征 1.1 弹簧钢生产工艺 失效弹簧材料为 55CrSi[B]钢，定径冷拉丝，直径 7 mm;弹簧钢成分为C: 0.56，Cr 0.67,Si 1.49,Mn0 .67,P0 .009,S 0.004，余量 Fe。 弹簧生产工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 :原材料—机床弹簧绕制—热处理—组装产品 —表面处理:电镀—交用户; 热 处 理:淬火(箱式电阻炉 870?10? )X(20-25) min,然后连续炉回火(470?10 ?)X(70-80)m in 后空冷，(淬 火与回火时间间隔不超过 4 h)，—硬度 40-45HR C，表面处理:除油—酸洗(盐酸 3%，温度常温;时间:清除氧 化皮为准)—清洗—除氢(180-200)?X2 h;镀锌—钝化—清洗干净—成品。 1.2 失效样品特征 失效弹簧试样 3 件,分别称为试样 No.1,No.2,No.3。 表 1 失效弹簧试样的基本特征 Table1 Basic characteristico f the failure spring specimen No.1 No.2 No.3 失效试样 710Φ7777mm Φ777mm 表面有镀Φ111000 mm 表面颜色正失效弹簧尺寸 锌层， 弹簧未加常 加载后拉数次后断口宏观形貌 表面有腐蚀颜色力断裂 断裂 断裂特征描述 加载拉 2-3 次后断裂(或装配 2-3 天后断裂) 工艺 酸洗后镀锌前 酸洗镀锌后 酸洗镀锌后 注:同样规格的弹簧未经过酸洗和镀锌不出现此类断裂失效 。 2 No.1 内簧Φ7mm 失效弹簧试样宏微观分析 收稿日期:2011-06-30 2.1 失效弹簧宏观检测 77图 1 No.1内 簧Φ77mm 55CrSi 钢弹簧和失效件部件 Fig.1 No.1i nner spring of 55CrSi steel (Φ7777 mm) andfa ilure parts 宏观观察断口为脆性断裂，断裂源位于弹簧圈内侧，断裂表面有镀锌黄绿色。 2.2 失效弹簧微观检测 图 2 整个断口的表面 SEM照片(有大量裂纹 ) 断口表面有大量裂纹(尺寸约毫米级 ) Fig.2 SEMi mage of thef racture (a lot of cracki n thef racture surface) 图 3 断口表面裂纹放大(表面有镀锌层，推测主要是沿晶开裂) Fig.3 High magnification of fracture surface crack 2.3 小结 1)宏观分析此断裂为脆性断裂。断裂源位于弹簧圈内侧(弹簧内圈为拉应力); 2)微观分析断口表面有镀锌层，说明断裂在镀锌前酸洗后已出现才能镀上锌; 3)断口表面许多条内裂纹,从内裂纹走向判断主要是沿晶开裂;此断裂是酸洗后出现的氢致脆性断裂 。 3 No.2 Φ7mm 内簧失效弹簧试样宏微观分析 3.1 失效弹簧宏观检测 77图 4 No.2失效弹簧内 簧Φ77mm 宏观断口(断裂表面有腐蚀颜色 ) Fig.4 Macrof racture of the No.2fa ilure inner spring (Φ7777 mm) 3.2 失效弹簧微观检测 图 5 整个断口形貌 (表面有腐蚀产物)， 断口表面沿晶开裂 (晶粒约 20μm)和内裂纹 Fig.5 SEMi mage of thew hole fracture 3.3 小结 1)宏观分析为脆性断裂，断裂表面有腐蚀颜色(褐色)是出现裂纹后形成的 ; 2)断口微观分析表面为沿晶开裂;断裂发生在酸洗—除氢--镀锌—成品后; 3)断口表面存在许多条内裂纹为沿晶裂纹，显示晶粒尺寸 约20μm; 4)从以上结果判断:此断裂是酸洗-电镀后出现的氢致脆性断裂。 4 No.3 失效弹簧Φ10mm 宏微观检测 4.1 失效弹簧宏观检测 源区 图 6 No.3Φ10 mm弹簧失效件部件 (材料 55CrSi 钢) Fig.6 Failure partso f No.3f ailure 55CrSi steel spring (Φ10 mm) 宏观断口为脆性断裂;断裂源位置在弹簧内侧，裂纹扩展区有撕裂放射线 。4.2 No3 失效弹簧的微观断口 图 7 裂纹源区局部放大(沿晶开裂)裂纹源区边部放大(沿晶开裂 ) Fig.7 Local ands ide magnification of cracko rigin 图 8 裂纹源区中部(沿晶开裂 )扩展区内裂纹(晶粒 20-30微米 ) Fig.8 Centero f cracko rigin zone and extended zornaeck c 4.3 小结 1)宏观断口为脆性断裂;断裂源在弹簧内侧，裂纹扩展区有撕裂放射线; 2)微观分析断口表面为沿晶开裂;断裂发生在酸—洗除氢--镀锌—成品后; 3)表面为沿晶开裂，并且可见到部分沿晶内裂纹，晶粒尺 寸20-30微米 ; 4)从以上结果判断:此断裂是酸洗-电镀后出现的氢致脆性断裂。 5 失效弹簧钢的热处理工艺与组织 5.1 No.1 No.2 试样显微组织 SEM 比较 内簧Φ7777mm 55CrSi 钢(编号 No1,N o.2)，淬火(箱式电阻炉 870?10? )X(20-25) min,然后连续炉回火(470?10 ?)X(70-80)m in 后空冷显微组织。(高温回火马氏体) 图 9 No.1 试样显微组织 No.1 试样显微组织 Fig.9 Microstructure of thes pecimen No.1andN o.2 5.3 失效弹簧钢的测试结果 表 2 失效弹簧样品的测试结果 Table2 Teat resultso f the failure spring o.1 No.2 No.3 N失效样品 技术要求 HRC 46 40—45 20-30 - 晶粒尺寸/μm 约 20 约 20 6 综合分析和建议 6.1 通过上述 3 件弹簧失效分析都有以下特征:氢致脆性断裂。分析理由如下: 1) 弹簧在生产制作中不出现开裂;装配后产生很高拉应力也未发生断裂。此脆断中只发生在酸洗, 即使后采 用现行除氢工艺, 也难以完全避免开裂或断裂。 2) 断口附近均没有明显宏观变形,是一种低应力脆性断裂; 引起氢致脆性断裂的的3个条件:拉应力-氢的渗入-敏感的组织。 a)应力来源:制簧中的应力;热处理应力;装配附加应力或外加应力 [3]; b)氢的来源: 所有断裂弹簧经过酸洗，且在一段时间后才发生氢致延迟脆 [4]断; + 2+Fe+2H?Fe+H?，酸洗中的H一部分逸出，一部分吸附金属表面渗入基体。 2 2 开裂源部位都在弹簧内圈,这说明弹簧内圈拉应力和酸洗有关。 c) 敏感组织:弹簧钢经淬火与回火后组织为回火马氏体，由于该组织强度级别高1500(-1700 MPa)，容 [5]易出现氢致脆. 6.2 几点建议 1)严格控制弹簧钢的来源和按照要求检验原材料; 2)严格弹簧钢制造和热加工工艺要求，适当降低硬度在技术要求范围; 3) 严格控制产品酸洗温度和时间(控制氢渗入量);严格执行除氢工艺温度和时间; 4) 为了减少弹簧内圈的残余拉应力，适当提高回火温度，降低回火的弹簧硬度。7 结论 根据以上对断口的观察和分析,由于弹簧内侧存在残余拉应力(断裂弹簧多在第1-2 圈);在不适当的酸洗(或 电镀)后氢渗入金属一定量，除氢又不彻底;对于弹簧钢属于高强度钢的组织，容易发生氢致脆性断裂，典型 断 口形貌多为沿晶开裂。 1)宏观分析断裂弹簧为脆性断裂，没有明显的宏观塑性变, 形 是一种低应力脆性断裂; 2)断裂源位置在弹簧圈内侧(内圈为拉应力，外圈为压应力); 3)所有断裂弹簧都经过酸洗，且经历较长一段时间后才发生的氢致延迟脆断; 4)微观断口分析，表面存在许多条内裂纹，典型断口形貌多为沿晶开裂; 5)从以上结果判断:断裂是酸洗后出现的氢致脆性断裂。 参考文献 [1] 邱文鹏，常序华，王仁.智圆柱螺旋弹簧氢脆断裂失效分[J析].金属制品,2007,33(1):24-27. 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