某型号弹簧的失效分析

洪志兴

（中车贵阳车辆有限公司，贵州 贵阳 550017）

某公司生产的HXD1 一系弹簧机车弹簧在使用过程中出现断裂，该弹簧已经安装使用3 年多，设计寿命为7 年左右。弹簧组两端设有弹簧座。弹簧除承受其缓冲作用的主要负荷外，还承受其挠度负荷。该弹簧材质为51CrV4，制造过程为：采购符合直径要求的弹簧钢，将每端的端头加热到900～980 ℃（加热长度：700 mm）后进行轧制，冷却到室温后，再整体加热到900～1000 ℃后缠绕成弹簧形状，再次在设定温度为920 ℃的炉内保温30 min，出炉后进行油淬火，入油温度830～870 ℃，油温20～80 ℃，20 min 后出油，出油5 min 后在450 ℃的炉内保温120 min，然后出炉空冷。弹簧在使用过程中发生断裂，断裂位置在端头数起的0.6 圈左右。

1 原因分析

在对弹簧进行断口分析后总结了可能造成弹簧失效的原因，具体分析如下：

1.1 荷载问题

对于弹簧应用过程而言，元件的荷载参数非常关键，其中，工作载荷及疲劳试验载荷下应力分布、受力情况等都具有重要的研究意义。检测人员借助计算分别测量出弹簧的工作载荷为55780 N、弹簧疲劳试验最大载荷为69725 N、弹簧疲劳试验最大载荷为41835 N［1］。并且利用弹簧可靠度计算等方式得出，从工作载荷、疲劳试验最大、最小载荷所受的应力分析来看，HXD1型一系弹簧受垂向力作用，主要是机车自身的重力和运行时垂向振动引起的附加载荷交替作用。加之弹簧本身的受力方向呈现出倒三角形，因此，两端的受力要远远高于中间位置，弹簧的端圈断裂可能性较高。

1.2 无线疲劳寿命强度曲线因素

技术人员从无线疲劳寿命强度曲线进行弹簧失效问题进行分析，在关键的节点位置，HXD1 一系弹簧做疲劳试验时，最大、最小的工作应力分别为591.9 N/mm2、355.5 N/mm2，相应参数都在规定的数据范围内，因此，无线疲劳寿命强度满足质量要求，并不是弹簧出现失效的原因。

1.3 断弹簧取样分析

为了进一步提升对相应问题的研究效果，对断裂弹簧进行取样分析，主要对弹簧断口进行化学成分分析、金相检测、硬度测试、拉伸测试、冲击测试、非金属夹杂物评定、宏观检测与SEM 分析进行全面分析。

（1）弹簧化学成分分析、金相检测、拉伸测试、冲击测试、非金属夹杂物评定符合相关标准及技术要求，弹簧断口硬度偏高，

（2）断口宏观检测与SEM 分析：弹簧与底座接触的位置可见明显磨损痕迹。将弹簧断口置于电镜下进行微观形貌观察，此处为弹簧支撑圈与弹簧底座接触的位置，裂纹从此处萌生并扩展。从断裂源处放大2000X后的照片中可以看出断裂源处的断口已被腐蚀，无法观察到明显形貌特征，将扩展区不同位置的断口形貌放大1000X 后的图片中可以观察到明显的沿晶形貌，扩展区为沿晶断裂。从弹簧断口最后断裂开的2 个不同位置可以观察到解理断口形貌。由SEM 微观照片可以知道，弹簧断口整体呈脆性断裂，且为沿晶和解理的混合形貌［2］。

1.4 生产过程

在通过对弹簧的整个生产制造过程的核查时，发现弹簧的各项出厂检测记录均合格，磨簧工序存在部分员工产量远远超过其他员工的情况，结合弹簧断口硬度检测结果偏高的情况，判断弹簧断裂的可能是为：采用钟摆式磨簧机磨削弹簧端面，进给方式为人工手动进给，在弹簧磨削过程中，部分操作者为提高产量故意提高弹簧的磨削进给量，导致弹簧端面局部淬火，产生隐针马氏体，形成白亮层。导致弹簧端面局部脆性增加，容易引发断裂。

1.5 实际弹簧实际运营情况分析

弹簧的主要作用：首先是当机车车辆运行经线路不平处或因轮对缺陷而发生振动和冲击时，可以缓和冲击，衰减振动。其次是使同一转向架各轮对之间重量分配适当，是各轮对的载荷在各种线路条件下，不致相差过大。弹簧安装在转向架上、下底座之间，其中弹簧和底座之间垫有橡胶垫，在安装时弹簧支撑圈与橡胶垫为紧密贴合，在机车运行过程中由于振动、急停等现象可能会导致弹簧支撑圈与橡胶垫不能紧密贴合，使得弹簧与橡胶垫之间存在一定的间隙。经调查发现断裂弹簧的支撑圈与橡胶垫只有三个点接触，从而使弹簧的0.6 圈位置产生局部的缺陷，在运行过程中该位置应力集中成为裂纹源，在交变应力的作用下产生裂纹并逐步扩展，进一步加剧了该区域的应力集中，接触应力使工作圈局部点在一定深度产生拉应力区，诱发的内部小裂纹与表面挤压损伤裂纹共同形成复合裂纹源。弹簧在实际使用中受力复杂使用条件恶劣，会承受较高的交变载荷和冲击载荷，由于机车通过弯道和启、停过程中还受到横向，这些力都具有很强的突发性，从而使得极少数形成复合裂纹源的弹簧发生疲劳断裂。

2 结 语

通过理论计算、断口分析及取样进行金相、脱碳、硬度、晶粒度、夹杂物、SEM、现场生产工艺分析及力学性能分析以及实际运行情况分析，造成弹簧断裂的主要原因有以下几方面：

（1）对断口进行取样分析，弹簧金相组织、脱碳、晶粒度、夹杂物符合相关标准及技术要求。弹簧硬度偏高，弹簧在机车运行过程中可能会导致早期断裂，在使用过程中弹簧的支撑圈端部与橡胶垫点接触，在机车运行过程中不断到挤压、碰撞，致使弹簧的0.6 圈位置产生局部的缺陷，在较大载荷作用下，支撑圈端部表面形成挤压凹坑变形，使得该区域应力集中成为疲劳源，再加上弹簧硬度偏高，支撑圈局部存在隐针状马氏体，材料组织较脆，致使在工作过程中疲劳源前沿的滑移线扩展成为裂纹，在交变载荷的持续作用下，裂纹扩展致使弹簧发生断裂，断口整体为脆性沿晶和解理的混合断口。

（2）针对整个生产制造过程进行排查，弹簧在端面磨平工序中可能由于磨削进给量偏大，导致个别弹簧端圈局部淬火，产生隐针马氏体，形成白亮层。进而使弹簧端面局部脆性增加，机车运行过程中可能会导致早期断裂。

（3）弹簧在实际运营情况中，受运用条件、环境温度、橡胶磨耗、实际运营等各种因素的影响，都会导致弹簧不正常受力，长期作用下发生疲劳断裂。