扭簧断裂失效分析

摘要

通过形貌观察、成分分析、切片分析等检测手段对扭簧在生产组装过程中断裂失效原因进行了分析，结果表明扭簧在R角折弯内侧表面存在较多细微裂纹，且内部存在较多AlN夹杂物裂纹缺陷。当扭簧在装配过程中受力后，R角应力集中位置表面缺陷处会形成裂纹源，而后裂纹会在内部沿夹杂物界面扩展，使扭簧发生断裂。

背景

此次失效的产品为扭簧，在生产组装过程中发现R角折弯处断裂，断裂扭簧、未装配扭簧的外观图如图1所示，分别记为试样NG、OK。扭簧为SUS631不锈钢丝经卷制后热处理而成，扭簧丝直径0.34mm，内径3.15mm，扭簧装配后受力120g~150g。

图1 扭簧外观图

分析项目

1. 断口分析

断口起源于R角折弯内侧，平行于扭簧受力臂，断口陡峭，剪切区面积较大。图2所示为NG扭簧断口微观形貌，裂纹源起源于扭簧R角折弯内侧表面，折弯内侧可见明显表面裂纹（如图2-B及图2-D），裂纹源区裂纹扩展方向垂直受力方向，且存在较多夹杂物缺陷（如图2-C），断口中心部分区域呈韧窝+纤维状组织特征，同时存在大量相互平行的夹杂物裂纹缺陷，沿扭簧丝变形方向呈长条状分布，长条状裂纹前端可见明显块状夹杂物（如图2-E），而剪切区平坦，同样见较多夹杂物缺陷（如图2-F）。

图2 NG扭簧断口显微形貌

图3为断口纤维区能谱分析，由表1中列出的结果可知，夹杂物裂纹缺陷前端的夹杂主要为AlN夹杂物。

图3 NG扭簧断口能谱分析

表1 NG扭簧断口能谱分析结果（wt%）

图4为OK扭簧R角折弯内侧表面形貌，R角折弯内侧表面可见较多的细微裂，裂纹垂直于扭簧受力臂，与断裂扭簧裂纹源表面的裂纹形貌一致。

图4 未装配OK扭簧折弯处形貌

1. 切片观察

NG扭簧断口截面浸蚀前形貌如图5所示。裂纹扩展方向见图5-A（红色箭头），裂纹源区平坦，垂直扭簧受力方向，之后裂纹呈锯齿状扩展，总体方向平行于受力方向。图5-B、图5-C及图5-D所示为纤维区微观形貌，断口呈明显的锯齿台阶撕裂状，平行于扭簧受力臂方向的长段裂纹对应于断口夹杂物裂纹缺陷形貌，裂纹沿夹杂物裂纹缺陷扩展。NG扭簧截面其他区域可见明显长条状夹杂物裂纹缺陷，沿变形方向分布。条状块状夹杂物裂纹缺陷在整个截面均有分布，且夹杂物裂纹缺陷相互间的间距较小。由能谱分析结果可知，夹杂物与断口表面观察的结果一致，均为AlN块状夹杂。

图5 NG扭簧断口浸蚀前截面形貌

图6为NG扭簧截面浸蚀后组织形貌，浸蚀后的组织可见细小的变形马氏体组织，其间可见数量较多的长条状夹杂物裂纹缺陷（红色箭头所指），形貌与断口存在的长条状裂纹缺陷一致。

图6 NG扭簧断口浸蚀后截面组织形貌

图7为未装配OK扭簧未浸蚀前截面形貌，次表面可见明显裂纹缺陷，其它区域可见长条状夹杂物裂纹缺陷。由能谱分析可知，夹杂物为AlN。浸蚀后的微观形貌见图8，其夹杂物形貌及种类与NG扭簧一致。

图7 未装配OK扭簧未浸蚀前截面形貌

图8 未装配OK扭簧浸蚀后截面组织形貌

综合分析

由断口分析可知， NG扭簧裂纹源起源于R角折弯内侧表面裂纹。断口纤维区以韧窝为主，分布较多相互平行的长条状夹杂物裂纹缺陷，裂纹沿夹杂物分布方向扩展。裂纹源区垂直于扭簧受力方向，断口呈锯齿状，整体平行于扭簧受力臂。

扭簧截面组织观察可知，NG扭簧及未装配OK扭簧均存在较多的内部裂纹缺陷，此内部裂纹缺陷均为沿材料变形方向、截面均有分布，裂纹前端为块状AlN夹杂，而后端可见细小的裂纹，无夹杂物填充。由以上分析可知：内部裂纹缺陷为硬质夹杂物AlN在扭簧丝形变成型过程中隔裂基体材料而形成，裂纹缺陷较长，相互平行而又分布密集且间隔小。

图9 扭簧R角折弯处应力云图

结合以上分析，扭簧R角折弯处内侧表面可见明显裂纹缺陷，内部分布较多沿变形方向的相互平行的长条状裂纹缺陷，隔断基体材料的连续性，折弯处变形量最大，裂纹缺陷最多，此处材料强度最低。在受力后，R角折弯内侧表面应力最大，应力云图见图9，在存在表面微裂纹的情况下，将成为裂纹源。初始裂纹在未扩展到夹杂物裂纹缺陷时，受拉应力控制，扩展方向垂直受力方向，见裂纹中的垂直扭簧受力臂台阶；当裂纹扩展至夹杂物缺陷，此时裂纹将沿内部缺陷裂纹扩展，此时裂纹扩展方向与在扭簧受力方向平行；当扩展到夹杂物裂纹缺陷末端时，扩展将还原为拉应力控制，继续扩展直至下一次扩展至夹杂物裂纹缺陷。

结论

综上可知，扭簧断裂原因为：

1、扭簧R角折弯内侧表面存在较多细微裂纹缺陷。在扭簧装配过程中受力后，应力集中位置的表面缺陷会形成裂纹源；

2、扭簧内部存在较多沿变形方向分布的相互平行的长条状夹杂物缺陷，破坏材料连续性，降低强度，裂纹易在内部沿长条状夹杂物界面扩展，使扭簧发生断裂。

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