客車懸架鋼板彈簧斷裂失效分析

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1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 讀書(shū)報(bào)告 客車懸架鋼板彈簧斷裂失效分析 Failure Analysis of Bus leaf spring suspension 學(xué)院名稱： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 金屬材料工程0701 學(xué)生姓名： 劉杰 指導(dǎo)教師姓名： 陳康敏 指導(dǎo)教師職稱： 副教授

2、2011 年 6 月 17 目 錄 第一章 彈簧及彈簧的種類 1 1.1彈簧 1 1.2 彈簧的種類 1 第二章 板彈簧 2 第三章 彈簧鋼 3 3.1國(guó)內(nèi)外彈簧鋼發(fā)展概況 3 3.2 彈簧鋼的性能特點(diǎn) 4 3.3 彈簧鋼的發(fā)展趨勢(shì) 5 第四章 彈簧鋼中各合金元素的作用 5 第五章 彈簧鋼的熱處理工藝 7 5.1 懸架彈簧的熱處理工藝 7 5.2 主要彈簧鋼的熱處理工藝 8 第六章 彈簧的服役條件和失效方式 9 6.1 彈簧的服役條件和應(yīng)力狀態(tài) 9 6.2 彈簧的失效方式 10 第七章 失效分析 10 7.1 失效分析概述 10 7.2

3、 斷口分析 10 7.3 彈簧鋼失效分析所得出的結(jié)論 11 第八章 掃描電子顯微鏡 13 8.1 基本原理 13 8.2 掃描電鏡的結(jié)構(gòu) 14 參考文獻(xiàn) 16 第一章 彈簧及彈簧的種類 1.1彈簧 彈簧的機(jī)械特性是：一旦施加外力，它就發(fā)生彈性變形，吸收并積蓄能量；如果外力取消，它會(huì)把吸收的能量釋放出來(lái)并恢復(fù)原形。為此，彈簧可用來(lái)吸收振動(dòng)和緩和沖擊；利用其恢復(fù)力產(chǎn)生動(dòng)力或恢復(fù)原位；用來(lái)連接物件等等。車輛與軌道、接觸網(wǎng)或其他車輛動(dòng)態(tài)接觸時(shí)，車輛各部件的相互接觸點(diǎn)或面上多會(huì)受到力。為了緩沖這些接觸部位的力，以維持圓滑的接觸，并把部件的強(qiáng)度保持

4、在適當(dāng)?shù)乃揭詫?shí)現(xiàn)小型輕量化，在車輛各部分使用了許多各種形式的彈簧。 1.2 彈簧的種類 (1) 螺旋彈簧 將鋼棒或鋼絲卷成螺旋形就是螺旋彈簧，這在車輛上用的最多。用軸彈簧和枕彈簧的情況下，大多數(shù)還同時(shí)使用吸收振動(dòng)的減振器。 (2) 板彈簧 板彈簧是利用可彎曲的鋼板制成的彈簧，也有用多層重疊制成的多層板彈簧。新干線電動(dòng)車組的軸箱使用多層板彈簧，這種彈簧彎曲時(shí)多層板之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦可吸收振動(dòng)，但這種摩擦不穩(wěn)定，而且板彈簧較重，最近幾乎不用了。 (3) 扭曲彈簧 扭曲彈簧是利用軸的扭曲制成的彈簧，多數(shù)稱為扭力棒。用于轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾，其結(jié)構(gòu)極簡(jiǎn)單。牽引電動(dòng)機(jī)的扭軸也兼作彈性聯(lián)軸器。

5、(4) 盤彈簧 盤彈簧是具有圓錐斜面的環(huán)狀彈簧，由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，尺寸較大的可吸收較大能量，用作連接器的緩沖器。 (5) 渦卷彈簧 渦卷彈簧是用薄的細(xì)長(zhǎng)鋼片卷制成的彈簧，一般稱為鐘表彈簧。直流牽引電動(dòng)機(jī)刷握上通常使用這種彈簧。 (6) 碟形彈簧 碟形彈簧的形狀如碟子底部，其受力方向較薄的彈性系數(shù)較大。用于緩和軸向沖擊。 (7) 減振橡膠 是利用橡膠彈性制成的彈簧，它能對(duì)付三個(gè)方向(即X 、Y 、Z 軸方向）的振動(dòng)，也具有衰減元件。它較容易安裝且使用方便。但耐候性比金屬?gòu)椈刹?，使? 溫度范圍也較窄。除用于機(jī)械中防振之外，也在軸彈簧或聯(lián)軸器的緩沖彈簧中應(yīng)用。 （8) 空氣彈簧

6、空氣彈簧是利用空氣的壓縮性制作的彈簧，使用中其彈性系數(shù)可以控制。有膜片型和波紋管型兩種。在車輛的枕彈簧中廣泛使用，不僅吸收上下振動(dòng)，還可用來(lái)調(diào)整車輛地板面的高度。又因其彈性系數(shù)正比于荷重變化，故車體的振動(dòng)頻率變化不大。通過(guò)將輔助空氣室的空間適當(dāng)縮小便可使振動(dòng)得以衰減，所以不必再使用減振器。另外，空氣彈簧不僅上下動(dòng)作，而且橫向也起作用，因此可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)動(dòng)剛性。另外它還用于車體傾斜裝置[1]。 第二章 板彈簧 板彈簧（blade spring）：由不少于1片的彈簧鋼疊加組合而成的板狀彈簧。 板彈簧按外形分類： （1）橢圓形板彈簧 （2）半橢圓形板彈簧 （3）四分之一橢圓形

7、板彈簧 （4）片彈簧。 橢圓形板彈簧、半橢圓形板彈簧及四分之一橢圓形板彈簧均為組合型式的板彈簧，依靠板與板之間的摩擦力而具有較高的緩沖和減振性能，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)和鐵道車輛的懸架系統(tǒng)； 片彈簧為單片彈簧鋼，多用于機(jī)械設(shè)備和儀器儀表中壓緊工作部件,見(jiàn)圖1.。 圖 1 各種板彈簧 第三章 彈簧鋼 3.1國(guó)內(nèi)外彈簧鋼發(fā)展概況 中國(guó)的彈簧鋼在20 世紀(jì)50 年代曾參照前蘇聯(lián)的彈簧鋼牌號(hào)，主體為Si2M n 系列的彈簧鋼，由于Si2Mn 系彈簧鋼存在淬透性低的缺點(diǎn)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已不能滿足中國(guó)工業(yè)發(fā)展的需要，后經(jīng)1977 年、1984 年兩次修訂，刪除了一些無(wú)用的牌

8、號(hào)，增加了高淬透性Cr2M n 系彈簧鋼。目前生產(chǎn)使用并列入GBT 1222—2007 中的彈簧鋼有15 個(gè)鋼種，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。 美國(guó)彈簧鋼無(wú)論是種類還是數(shù)量都比較多,但經(jīng)常使用的鋼種是9260、9254、5160 和改進(jìn)型5160等, 尤以5160 (H) 和9260 應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大美國(guó)彈簧鋼無(wú)論是種類還是數(shù)量都比較多， 但經(jīng)常使用的鋼種是9260、9254、5160 和改進(jìn)型5160等，尤以5160 (H) 和9260 應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大。 日本彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)J ISG4801中收入9個(gè)鋼種。1984年修訂J IS G4801時(shí)， 由于彈簧鋼SUP4沒(méi)有實(shí)用價(jià)值而被刪掉, S

9、UP3也只是作為鐵道車輛板彈簧的補(bǔ)充使用。 德國(guó)彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)D IN 17221 中共有6 個(gè)鋼種,其化學(xué)成分見(jiàn)表2。其中38Si7 是Si2M n 鋼54SiCr6、56SiCr7 是Si2M n2Cr 鋼, 55Cr3 是Cr2M n 鋼, 50CrV 4 是Cr2V 鋼，51CrMoV 4 是在50CrV 4 的基礎(chǔ)上添加了一定含量的Mo元素，大大提高了鋼的淬透性及回火穩(wěn)定性，適用于制造在高溫環(huán)境下工作的超大型彈簧[2-3]。 表2 德國(guó)彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)DN17221鋼種化學(xué)成分/% 鋼號(hào) C Si Mn Cr Mo V 38Si7 0.35-0.42 1.50-1.80

10、 0.50-0.80 - - - 54SiCr4 0.51-0.59 1.20-1.60 0.50-0.80 0.50-0.80 - - 60SiCr7 0.57-0.65 1.50-1.80 0.70-1.00 0.20-0.40 - - 55Cr3 0.52-0.59 0.25-0.50 0.70-1.10 0.70-1.00 - - 50CrV4 0.47-0.55 0.15-0.40 0.70-1.10 0.90-1.20 - 0.10-0.20 51CrMoV4 0.48-0.56 0.15-0.40 0.70-

11、1.10 0.90-1.20 0.15-0.25 0.08-0.15 3.2 彈簧鋼的性能特點(diǎn) 彈性門坎和彈性極限。微量塑性變形抗力一一彈簧合金的一個(gè)主要性能——用條件彈性極限來(lái)表征是最可靠的，其相應(yīng)出現(xiàn)的殘余變形量約為10-3或最好為10-4％。彈性極限和比例極限(有時(shí)也用于評(píng)定彈性合金的質(zhì)量)的主要區(qū)別，不在于所規(guī)定的殘余變形的大小，而在于它在試驗(yàn)時(shí)方法相同具有較向的測(cè)量精度，因?yàn)樗鼉H僅測(cè)定卸裁后的殘余變形。此外，彈性極限也可以直接地表示出產(chǎn)生一定殘余變形的相應(yīng)應(yīng)力值。 宏觀彈性極限對(duì)應(yīng)于出微量塑性變形的第一階段向第二階段的過(guò)渡，第一階段的特點(diǎn)是硬化系數(shù)很高．而第二階段的硬

12、化系數(shù)急劇地降低，并且殘余變形的累積速度增大。微量塑性變形發(fā)展的這兩個(gè)階段的物理本質(zhì)是各不相同的。在第一階段，位錯(cuò)、磁疇壁等其移動(dòng)不很大，相反地，該階段發(fā)展的程度主要決定于表面和體積不均勻性的存在，因此，這與合金的成分和處理無(wú)關(guān)，不過(guò)這尚未定論。在第二階段，與第一階段不同，發(fā)生了不可逆的組織變化(包括恢錯(cuò)結(jié)構(gòu)的變化)。由此可見(jiàn)，宏觀彈性極限具有確定的物理念義。彈性極限技術(shù)上的意義在于共大小可表征一個(gè)極限應(yīng)力，這一極限應(yīng)力是彈性元件加載過(guò)程中不得超過(guò)的。 3.3 彈簧鋼的發(fā)展趨勢(shì) （1）彈簧鋼向高強(qiáng)度方向發(fā)展 　　提高彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力、減輕彈簧重量是彈簧的發(fā)展方向。影響彈簧鋼設(shè)計(jì)應(yīng)力的兩個(gè)主要

13、因素是有彈簧鋼的合金元素含量并添加微合金化元素；另一方面借鑒航空用超高強(qiáng)度鋼的經(jīng)驗(yàn)，降低含碳量并添加V和Nb等。 （2）彈簧鋼向高彈減抗力方向發(fā)展 由于決定彈簧許用應(yīng)力的主要因素是彈減抗力，因此提高彈減抗力一直是高強(qiáng)度彈簧鋼研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。 （3）彈簧鋼向高純凈度方向發(fā)展 國(guó)內(nèi)外鋼廠和汽車廠對(duì)彈簧鋼氧含量提出了很高的要求，如瑞典SKF 標(biāo)準(zhǔn)要求彈簧鋼氧含量低于15 mg/L ，夾雜物最大尺寸小于15 um。彈簧鋼生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)從冶煉工藝及連鑄工藝兩方面入手，通過(guò)采取加強(qiáng)原料管理、合理配料、精料入爐，強(qiáng)化冶煉操作、優(yōu)化冶煉工藝，改進(jìn)脫氧、造渣制度、強(qiáng)化爐解精煉等措施，生產(chǎn)高純凈度彈簧鋼[4-

14、5]。 第四章 彈簧鋼中各合金元素的作用 合金化元素在鋼中應(yīng)用的基本原理在于其在鋼中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金元素與碳、氮交互作用，產(chǎn)生了諸如晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化、再結(jié)晶控制、夾雜物改性等一系列的次生作用，這些因素綜合的對(duì)鋼產(chǎn)生了強(qiáng)韌化效果，同時(shí)提高材料的工藝性能。60CrMnBA涉及的化學(xué)元素主要有C 、S i 、M n 、C r 、B 等，其作用分述如下： （1）碳 設(shè)計(jì)C含量的應(yīng)主要考慮固溶強(qiáng)化及回火二次沉淀硬化所需。C是主要的強(qiáng)化元素，C溶解在鋼中形成間隙固溶體，起固溶強(qiáng)化作用，它與強(qiáng)碳化物形成元素形成碳化物析出時(shí)，起沉淀強(qiáng)化作用。碳對(duì)彈簧的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、脫碳

15、傾向、顯微組織都有很大的影響。彈簧鋼要求較高的強(qiáng)度和疲勞，一般在淬火＋中溫回火的狀態(tài)下使用，使獲得較高的彈性極限。為保證強(qiáng)度，彈簧鋼中必須含有足夠的C，但隨C含量的上升，塑形、韌性會(huì)下降。為了提高彈簧鋼的韌性和塑性，碳含量有降低的趨勢(shì)。C含量高雖然對(duì)強(qiáng)度、硬度、彈性等有利，但塑性、綜合性能不夠理想、韌性較低，易脫碳，對(duì)彈減抗性不利，影響彈簧的疲勞壽命。 （2）硅 Si不是碳化物形成元素，基本上以固溶態(tài)存在，具有固溶強(qiáng)化效果高于Mn，在常用合金元素中名列前茅。Si本身不僅有固溶強(qiáng)化作用，而且能改變鋼回火時(shí)析出碳化物的數(shù)量、尺寸和形態(tài)等，提高鋼的回火穩(wěn)定性，因此，對(duì)提高材料強(qiáng)度、硬度有好處。當(dāng)

16、合金元素和C含量在一定的范圍內(nèi)時(shí)，Si對(duì)彈性減退抗力的貢獻(xiàn)居各種合金元素之首。Si增強(qiáng)抗彈性減退的能力隨著含量增加而增強(qiáng)，在含量1.5%時(shí)效果最佳。但是，Si也可能在一定程度上對(duì)塑性、韌性產(chǎn)生不良影響。Si含量較高時(shí)還助長(zhǎng)鋼加熱時(shí)的脫碳、石墨化和晶粒粗化傾向。一般彈簧鋼中硅含量不大于0.3%。 （3）錳 Mn是弱碳化物形成元素，在鋼中主要以固溶的形式存在于基體中。一部分固溶于鐵素體（或奧氏體），另一部分形成含Mn的合金滲碳體（Fe、Mn）3 C。以固溶形式存在的。Mn具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果，Mn對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化作用僅次于P和Si。同時(shí)Mn是奧氏體穩(wěn)定化元素，能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，鋼中加入M

17、n還能顯著提高鋼的淬透性，改善熱處理性能，強(qiáng)化基體、降低珠光體的形成溫度，細(xì)化珠光體的片間距離，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度，其對(duì)淬透性的增強(qiáng)作用高于Cr 、Mo、Ni。同時(shí)Mn 礦為我國(guó)富產(chǎn)，價(jià)廉易取。但Mn增大了彈簧鋼的過(guò)熱敏感性，晶粒易粗大，還易增大回火脆性，因此，Mn含量不宜過(guò)高。 （4）鉻 Cr是中強(qiáng)碳化物形成元素，加熱時(shí)溶入奧氏體的Cr能強(qiáng)烈地提高淬透性。鋼中的Cr一部分形成碳化物，另一部分溶入基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。Cr不僅能使C曲線明顯地右移，而且使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線明顯分開(kāi)。在52CrMnB中，Cr與Mn適當(dāng)配合，顯著提高了鋼的淬透性，并且較多的Cr將促進(jìn)

18、位錯(cuò)馬氏體的形成。但是Cr在鋼中起到強(qiáng)化作用的同時(shí)亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。52CrMnB用于35mm以下的厚大截面鋼板彈簧，需要良好的淬透性，因此52CrMnB在避免回火脆性的同時(shí)增加Cr含量。 （5）硼 B能使鋼的淬透性顯著提高，B原子偏聚于奧氏體淬火冷卻過(guò)程中晶界上，降低晶界能，抑制鐵素體的形核，推遲鐵素體的形成，同時(shí)晶界上的B原子也阻滯晶界原子的擴(kuò)散，使鐵素體在晶界上擴(kuò)散形核減緩，從而增加淬透性。常用化學(xué)元素中，B對(duì)淬透性貢獻(xiàn)最大，0.001%～0.003%B的作用分別相當(dāng)于0.6%Mn、0.7%Cr、0.15%Mo、1.5%Ni，應(yīng)用B可節(jié)省大量合金元素。淬透性隨硼含量

19、的增加而增加,但B含量超過(guò)0.001%后淬透性不再增加。而且鋼中的C含量越少，B的淬透性效應(yīng)越發(fā)突出。B還能提高鋼的抗彈減性，當(dāng)B元素以間隙原子形式固溶于奧氏體、鐵素體時(shí)，特別容易聚集在位錯(cuò)線附近，抑制變形過(guò)程。 但是，B在化學(xué)元素周期表中位于第二周期，是第ⅢA族的第一個(gè)元素。它和N、O都有很強(qiáng)的親和力，并能與S、C化合。加熱能提高B的化學(xué)活性。B同鋼中的N、O結(jié)合形成氧化物和氮化物后，就失去提高鋼的淬透性功能。同時(shí)B在冶煉過(guò)程中極易揮發(fā)，因此B鋼的冶煉過(guò)程中對(duì)脫O、脫N要求較高，B回收利用難度較大[6]。 第五章 彈簧鋼的熱處理工藝 5.1 懸架彈簧的熱處理工藝 用油淬火鋼絲

20、或鋼棒卷制的懸架彈簧只需進(jìn)行去應(yīng)力退火。例如55SiCr油淬火銅絲卷制的懸架彈簧的遢火工藝為380℃1h。如用退火或熱軋態(tài)盤條卷制的懸架彈簧必須進(jìn)行淬火和回火后才能達(dá)到所需要的力學(xué)性能。具體工藝： 1．常規(guī)熱處理工藝 批量生產(chǎn)時(shí)，采用輸送帶或步進(jìn)式連續(xù)加熱爐，保護(hù)氣氛加熱到860℃～880℃時(shí)油淬，再在熱風(fēng)循環(huán)的周期性作業(yè)爐或連續(xù)式回火爐中保持足夠的時(shí)間，使其硬度達(dá)到46～52HRC。 2．高溫形變熱處理將錒棒進(jìn)行感應(yīng)加熱或電接觸加熱到950～l000℃．立即用靠模軋制成那樣的形狀及尺寸、再熱卷成簧后淬火（余熱淬火）和回火。這是一種強(qiáng)化的熱處理生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)率高，又可獲得

21、超細(xì)晶粒和形變熱處理強(qiáng)韌化救果。對(duì)于Si-Cr系(SAE9254)鋼，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1770～2060MPa，φ﹥45%，σ﹥7%，彈簧表面無(wú)脫碳現(xiàn)象。用這種方法制造的懸架彈簧具有很高的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力松弛性能[7~9]。 如生產(chǎn)條件不具備時(shí)，可將軋錯(cuò)、繞簧和淬火工序分開(kāi)進(jìn)行。此時(shí)淬火方法可按常規(guī)工藝或等溫淬火工藝進(jìn)行。 5.2 主要彈簧鋼的熱處理工藝 表3就是主要彈簧鋼的熱處理工藝和各剛號(hào)的主要用途[10-11]。 表3是主要彈簧鋼的熱處理工藝和主要用途 鋼號(hào) 熱處理 力學(xué)性能 交貨狀態(tài) Hb不大于 主要用途 淬火溫度/℃ 淬火介質(zhì) 回火溫度/℃ 屈服強(qiáng)度 /

22、Mpa 抗拉強(qiáng)度/Mpa 65Mn 830 油 540 800 1000 熱軋 302 截面直徑小于15mm的中小型,低應(yīng)力彈簧,如座墊板簧,彈簧發(fā)條等. 50CrMn 55CrMnA 60CrMnA 840 油 490 1100 1300 熱軋 321 載荷較高,應(yīng)力較大板簧,也用于直徑較大的(50mm)的螺旋彈簧. 60Si2MnA 870 油 440 1400 1600 熱軋 321 汽車,拖拉機(jī),鐵道車輛上的板簧,螺旋彈簧,汽缸安全閥及止回閥簧。 60SiMnWA 850 油 420 1700 1900 熱處理

23、 302 極重要的和重載下工作的螺旋彈簧和板簧 55SiMnB 60CrMnBA 870 油 480 1200 1300 熱軋 321 汽車前后簧,后簧 60CrMnMoA 55SiMnMoV 880 油 550 1300 1400 熱軋 321 重型汽車板簧,越野汽車板簧. 第六章 彈簧的服役條件和失效方式 6.1 彈簧的服役條件和應(yīng)力狀態(tài) 彈簧的服役條件是指它工作的環(huán)境(溫度和介質(zhì))及應(yīng)力狀態(tài)等因素。工作溫度可分為低溫（室溫以下）、室溫、較高溫度（120～350℃）、高溫（400℃以上）幾個(gè)檔次。工作環(huán)境介質(zhì)有空氣（干燥氣和潮濕氣）、水蒸

24、氣、雨水、燃燒產(chǎn)物、油及酸堿水溶液等。普通機(jī)械彈簧一般是在室溫或較高工作溫度、大氣條件下承受負(fù)荷。也有用于耐蝕、承受高應(yīng)力等各種特殊用途的彈簧。應(yīng)當(dāng)指出工作持續(xù)時(shí)間也是一個(gè)值得考慮的重要因素。 彈簧的載荷特性由彈簧變形時(shí)載荷（P或T）與變形（F或φ）之間的關(guān)系曲線表示。常見(jiàn)者有三類：直線型、漸增型、不重合型[12-13]。 彈簧載荷有動(dòng)載荷（振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、彎曲等）和靜載荷，有些重要彈簧承受復(fù)雜的交變載荷。應(yīng)力狀態(tài)時(shí)設(shè)計(jì)彈簧、選材及熱處理的一個(gè)極其重要的參數(shù)。在外力作用下，彈簧材料內(nèi)部往往產(chǎn)生不同的應(yīng)力：如彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（切應(yīng)力）或彎扭復(fù)合應(yīng)力等[13-15]。彈簧的應(yīng)力狀態(tài)舉例如表。

25、表4 彈簧鋼的應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力狀態(tài) 彈簧類型 彎曲應(yīng)力（σb）為主 各種板簧、片簧、碟簧、平面蝸卷彈簧、扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧、波形彈簧、弓形彈簧等 扭轉(zhuǎn)（剪切）應(yīng)力（τb） 壓縮和拉伸螺旋彈簧、扭桿彈簧、蝸卷螺旋彈簧 復(fù)合應(yīng)力 承受壓縮和拉伸復(fù)合應(yīng)力，如環(huán)形彈簧、承受彎曲橫向載荷的彈簧 交變應(yīng)力 對(duì)稱（σ-1、τ-1） 非對(duì)稱（σmax ～σmin） 脈動(dòng)（0～σmax） 各種氣門彈簧、氣閥彈簧 6.2 彈簧的失效方式 由于彈簧服役條件的復(fù)雜性和苛刻性，其失效方式有多種多樣，主要有斷裂失效和應(yīng)力松弛（變形）失效兩大類。在斷裂失效中又可分為脆性斷裂和塑性斷

26、裂，其中突發(fā)性的脆性斷裂的危害性最大。在斷裂失效中又可分為脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂及疲勞斷裂。此外，還有氫脆、鎘脆及黑脆等。其中疲勞斷裂約占彈簧斷裂失效的80%～92%。在生產(chǎn)實(shí)踐中可依據(jù)彈簧斷口特征來(lái)判斷其斷裂方式，可根據(jù)彈簧的受力條件找出其斷裂源，分析其裂紋的擴(kuò)展速率。應(yīng)力松弛（變形）失效時(shí)彈簧工作過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象，但一般不被重視，而它對(duì)那些執(zhí)行控制性元件中則是影響產(chǎn)品效率、靈敏度及可靠性的關(guān)鍵性零件。彈簧的早期失效對(duì)鋼材的浪費(fèi)想但嚴(yán)重、造成直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失巨大[16-17]。 第七章 失效分析 7.1 失效分析概述 失效分析是人們認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的逆向思維和探

27、索，是變失效為安全的基本環(huán)節(jié)和關(guān)鍵，是人們深化對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)源頭和途徑。因此在思路上要求遵守并正確運(yùn)用以下五個(gè)基本原則：（1）整體觀念原則（2）從現(xiàn)象到本質(zhì)的原則（3）動(dòng)態(tài)原則（4）—分為二原則（5）縱橫交匯原則；思路上的五種具體方法為：（1）系統(tǒng)方法（2抓主要矛盾方法（3比較方法（4）歷史方法（5）邏輯方法[18] 。 7.2 斷口分析 工程構(gòu)件的斷裂分析大論在理論上還是在應(yīng)用上都是十分有用的。斷裂分析包括宏觀分析和微觀分析，通過(guò)斷口分析可以揭示斷裂機(jī)理，判斷裂紋性質(zhì)及原因，裂紋源及走向；還可以觀察到斷口里的外來(lái)物質(zhì)或夾雜物,出于掃描電鏡的特點(diǎn)，使得它在現(xiàn)有的各種斷裂分析方

28、法中占有突出的地位. 材料斷口的微觀形貌住往與材料化學(xué)成分、顯微組織、制造工藝及服役條件存在密切聯(lián)系，所以斷口形貌的確定對(duì)分忻斷裂原因常常具有決定性作用。 金屬材料斷口按斷裂性質(zhì)可分為脆性斷口、韌性斷口、疲勞斷口從環(huán)境因素?cái)嗫?；按斷裂途徑可分為穿晶斷口、沿晶斷口從混合斷口。?列出了它們的主要特點(diǎn)及相應(yīng)的斷口形貌—現(xiàn)分別簡(jiǎn)要介紹如下[19]。 表5 斷口的主要特點(diǎn)及相應(yīng)的斷口形貌 分類方法 斷口類型 特點(diǎn) 斷口微觀形貌 按斷裂性質(zhì)分類 脆性斷口 斷裂前材料不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，斷口宏觀形貌為結(jié)晶狀或放射狀 解理斷口、準(zhǔn)解理斷口或冰糖狀沿晶斷口 韌性斷口

29、斷裂前材料有明顯的塑性變形，斷口宏觀形貌為纖維狀 韌窩斷口 疲勞斷口 有周期性重復(fù)載荷引起的斷裂 穿晶，有疲勞條紋或沿晶斷口 環(huán)境因素?cái)嗫? 由于應(yīng)力腐蝕、氫脆、液態(tài)金屬脆化、腐蝕疲勞或高溫蠕變引起的斷裂 沿晶斷口 穿晶斷口 按斷裂用途分類 穿晶斷口 脆性穿晶斷口（回火脆性及氫脆等斷口） 韌性穿晶斷口（過(guò)熱組織斷口） 解理或準(zhǔn)解理斷口，韌斷穿晶斷口 沿晶斷口 脆性穿晶斷口 韌性穿晶斷口 冰糖狀沿晶斷口 斷口晶界表面有密布的小韌窩 混合斷口 穿晶沿晶兩種斷口混雜存在 7.3 彈簧鋼失效分析所得出的結(jié)論 由蔡璐, 王磊所完成的高強(qiáng)度變截面板彈簧失效分析

30、及對(duì)策所得出的結(jié)論有： （1） 淬火溫度及回火工藝不合理是造成試制彈簧早期失效的主要原因, 生產(chǎn)最佳工藝為915~ 925℃加熱淬火, 470~ 480 ℃ 回火2 h。 （2)淬火加熱裝爐方式不合理是造成試制彈簧早期失效的原因之一, 板簧弧形凹面(待噴丸面) 朝下,可以避開(kāi)油噴嘴的烈焰, 避免過(guò)熱。 （3)噴丸工藝不合理也是造成試制彈簧早期失效的原因之一, 自由噴丸后再進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)化噴丸, 能夠有效的提高疲勞壽命。 （4）改進(jìn)后的工藝明顯提高了彈簧壽命, 達(dá)到了技術(shù)要求[20]。 第八章 掃描電子顯微鏡 8.1 基本原理 圖2 掃描電鏡原理示意圖 圖2是掃描電鏡的

31、原理示意圖c由最上邊電子槍發(fā)射出來(lái)的電子柬，經(jīng)柵極聚焦后，在加速電壓作用下，經(jīng)過(guò)：至二個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成一個(gè)細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線閣。公它的作用下佼電子束在樣品表面掃描。出于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用．結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、x射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等.這些信號(hào)被相應(yīng)的接收器接收．經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上。調(diào)制顯保管的亮度. 由于經(jīng)過(guò)掃描線圈的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征

32、，按順序，成比例地轉(zhuǎn)換為視頻傳號(hào)，完成--幀圖像。從而使我們?cè)跓晒馄辽嫌^察別樣品表面的各種特征圖像. 8.2 掃描電鏡的結(jié)構(gòu) 掃描電鏡包括以下幾部分： 1．電子光學(xué)系統(tǒng) 該系統(tǒng)由電于槍、電磁透鏡、光闌、樣品室等部件組成。它的作用與透射電鏡不同，僅僅用來(lái)獲得掃描電子束。顯然，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑.目前使用中的掃描電鏡大多為普通熱陰極電子槍，由于受到鎢絲陰極發(fā)射率較低的限制，需要較大的發(fā)射截面，才能獲得足夠的電子束強(qiáng)度。采用鎢絲陰極發(fā)射的電子光源掃描電子束直徑一般可達(dá)20～50um，六硼化銅陰極發(fā)射率比較高，有效發(fā)射截面可以做到直徑為20um左右，比鎢絲陰

33、極要小得多，因此無(wú)論是亮度還是電子源直徑都比鎢絲陰極多.以上兩種電子槍都屬于熱發(fā)射電子槍，而場(chǎng)發(fā)射電子槍分為冷場(chǎng)和熱場(chǎng)發(fā)射兩種，一般在掃描電鏡中采用冷場(chǎng)發(fā)射。它是利用靠近曲率半徑很小的陰極尖端附近的強(qiáng)電場(chǎng)使陰極尖端發(fā)射電子的，所以叫做場(chǎng)致發(fā)射(簡(jiǎn)林場(chǎng)發(fā)射).如果陰極尖端半徑為100～500nm，片在尖端與第—陽(yáng)極之間加3～5kV的電位差，那么在陰極尖端附近建立的強(qiáng)電場(chǎng)就足以使它發(fā)射電子，在第二陽(yáng)極幾十千伏甚至幾百千伏正電位作用下，陰極尖端發(fā)射的電子會(huì)聚在第二陽(yáng)極孔的下方（即場(chǎng)發(fā)射電子槍第一交叉點(diǎn)位置上）．電子束直徑小于20nm（甚至l0nm).可見(jiàn)場(chǎng)發(fā)射電子槍是掃描電鏡獲得高分辨率，高質(zhì)量圖像

34、較為理想的電了源.此外、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡在低電壓下仍保持高的分辨率和電子槍壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在光學(xué)系統(tǒng)中，掃描電鏡的最后一個(gè)透鏡的結(jié)構(gòu)有別于透射電鏡，它是采用上下極靴不同孔徑不對(duì)稱的磁透鏡，這樣可以大大減小下極靴的圓孔直徑，從而減少樣品表面的磁場(chǎng)．避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾，不影響對(duì)二次電子的收集。另外、末級(jí)透鏡中要有一定的空間．用來(lái)容納掃描線圈和消像散器：掃描線圈是掃描電鏡的—個(gè)十分重要的部件．它使電子作光柵掃描，與顯示系統(tǒng)的CRT掃描線圈由同一鋸齒波發(fā)生器控制，以保證鏡筒中的電子束與顯示系CRT中的電子束偏轉(zhuǎn)嚴(yán)格同步。 掃描電鏡的樣品室要比透射電鏡復(fù)雜，它能容納大的試樣，并在1維空間進(jìn)行

35、移動(dòng)。傾斜和旋轉(zhuǎn)。目前的掃描電鏡樣品空在空間設(shè)計(jì)都考慮了多種信號(hào)收集器安裝的幾何尺寸，以使用戶根據(jù)自己的意愿選擇不同的信息方式. 2．信號(hào)收集和顯示系統(tǒng) 二次電子和背反射電子收集器是由閃爍體，光電倍增管和前置放大器組成，這是掃描電鏡中最主要的信號(hào)檢測(cè)器.從試樣出來(lái)的電子．撞擊并進(jìn)入閃爍體，當(dāng)金屬圓筒加+250電壓時(shí)，能接受低能二次電子：當(dāng)加—250V電壓時(shí)，能接受高能反射電子.在閃爍體表層涂一層40～80nm的鋁膜作為導(dǎo)電層、在這導(dǎo)電層上加釘10～12KV的高壓，試樣產(chǎn)生的二次電子(或被反射電子)被這高壓加速,并被收集到閃爍體上,當(dāng)電子打到閃爍體，產(chǎn)生出光子,而光子 通過(guò)光導(dǎo)體管傳送到光電

36、倍增管的陰極上：通過(guò)光電倍增管，信號(hào)被放大為微安數(shù)量級(jí)，再送至前置放大器放大成足夠功率的輸山信號(hào)，送至視頻放大器，而后可直接調(diào)制cRT的柵極電位．這樣即可得到一幅供觀察和照相的圖像。 (2)顯示系統(tǒng) 顯示裝置—搬有兩個(gè)顯示通道：一個(gè)用來(lái)觀察，另一個(gè)供記錄用(照相)。觀察用的顯像管采用常余輝顯像管，躺拙—幀有0.2，0.5,1s…。最快可以達(dá)到電視速度。對(duì)子記錄用的管子要求有較高的分辨率，通常10cm xl0cm的熒光屏要求有800--1000條線并且只能用短余輝的管子、在觀察時(shí)為了便于調(diào)焦,采用盡可能快的掃描速度，而拍照時(shí)為了得到分辨率高的圖像。要盡可能采用慢的掃描速度(多用50～100s

37、)。 (3)吸收電子檢測(cè)器 試樣不直接接地，而與一個(gè)試樣電流放大器相接，可檢出被測(cè)試樣吸收的電子。它是一個(gè)高靈敏度的微電流放大器，能桃測(cè)到10的負(fù)六次到10-10A這樣小的電流。吸收電流信號(hào)一般在10-7到10-9A，在較好的信噪此下，可得到所需要吸收電流圖像。吸收電子圖像是掃描電鏡分析中一個(gè)很重要的手段。 (4)X射線檢測(cè)器 它是檢測(cè)試樣發(fā)出的元素特征X連續(xù)波長(zhǎng)和光子能量成分分析。此外．掃描電鏡也像透射電鏡一樣，需配備真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) [1] 江慧 譯自《JRAE》 2002 [2] 阿久津忠良. 高強(qiáng)度懸架ばね用鋼の開(kāi)發(fā)[J]. 電氣制鋼,

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