王若威
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环境技术/Environmental Technology
Ａｂｓｔｒａｃｔ：The failure reasons of 60Si2Mn plate spring after fatigue test was studied. The facture failure reasons of plate spring were analyzed by taking advantage of chemical composition analysis, fracture scanning analysis as well as microstructure analysis and testing. The results showed that the crack started at A and B crack sources. There was a full decarbonization layer of coarse large ferrite on the surface of A crack sources, which caused crater defect after abrasion for long time. Hence the crater defect got higher centralized stress under the effect of the external force, making for generation fatigue crack and finally the crack occurred at the A crack source first.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：60Si2Mn; plate spring; fracture; failure analysis
摘要：研究60Si2Mn 板簧在疲劳试验14万次后发生断裂失效的原因。通过化学成分分析、宏观分析、断口扫描分析、显微组织分析等测试手段，对板簧断裂失效原因进行分析。结果表明，裂纹起始于A 裂纹源及B 裂纹源处。A 裂纹源处表面存在粗大铁素体全脱碳层，且长时间磨损致表面形成凹坑缺陷，外力作用下凹坑缺陷处存在应力集中现象，萌生裂纹导致A 裂纹源最先发生开裂。关键词：60Si2Mn；板簧；疲劳；失效分析 中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2019)S2-0123-05
60Si2Mn 板簧疲劳断裂失效分析
Fatigue Fracture Failure Analysis of 60Si2Mn Plate Spring
佘祖新1,2，许文清1,2，王长朋1,2，梅华生1,2
（1.西南技术工程研究所，重庆 400039； 2. 环境效应与防护重庆市重点实验室，重庆 400039）SHE Zu-xin 1,2, XU Wen-qing 1,2, WANG Chang-peng 1,2, MEI Hua-sheng 1,2
(1. Southwest Research Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039; 2. Chongqing Key Laboratory of Environmental Effect and Protection, Chongqing 400039)
前言
某公司送检的60Si2Mn 板簧在疲劳试验14万次后发生断裂，为了研究板簧发生断裂失效的原因，作者采用多种理化检验方法对其进行了系统的检测与分析[1]。
１ 试验方法
采用Quanta200 环境扫描电镜对断口进行形貌扫描分析，采用Observer.A1m 倒置式金相显微镜按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物评定，按照GB/T 13299-1991《钢的显微组织评定方方法》和GB/T 6394-2017《金
属平均晶粒度测定方法》进行金相组织分析。采用HR-150A 型洛氏硬度计按照GB/T 230.1-2009 《金属洛氏硬度试验 第1部分：试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 标尺）》进行洛氏硬度分析。采用GB/T 20125-2006《低合金钢 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光
智能新风谱法》和GB/T 20123-2006《钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外线吸收法》进行化学元素分析。
２ 试验结果与分析
２．１宏观分析
作为断裂失效分析的重要证据，断口是残骸分析中
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断裂信息的重要来源之一[2,3]。对板簧进行检查发现，在断口侧面可见明显磨损痕迹，裂纹在表面A 裂纹源和B 裂纹源处萌生，其中A 裂纹源处断口颜较深，呈红褐，存在一定锈蚀；B 裂纹源断口较新鲜，断面存在金属光泽，断口处无明显塑性变形。板簧断口宏观形貌如图1所示。
２．２ 化学成分分析
在板簧样品断口处附近截取试样进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，样品化学成分符合60Si2Mn 标准要求。
２．３ 断口分析
为了更好地对断口进行分析，我们采用扫描电镜进行形貌分析[4]。断口经超声波清洗后，在Quanta200型扫描电镜下分别对A 裂纹源、B 裂纹源及断口外表面进行观察。
图2所示为A 裂纹源断口形貌。由图2（a）和（b）可以看出A 裂纹源一侧的裂纹起始于外表面，A 裂纹源处及A1区域均被腐蚀产物层覆盖，看不清真实断口形貌特征，A1区域深度约为2.5 mm。A2区域微观形貌为准解理断口特征，为典型疲劳断裂，疲劳裂纹扩展区深度占整个断口厚度的2/3左右，如图2（d）所示。A3区域微观形貌为撕裂韧窝的韧性断裂，如图2（e）、（f）所示。
图3所示为B 裂纹源断口形貌。由图3（a）和（b）可以看出B 裂纹源一侧的裂纹起始于外表面，断口
无明显腐蚀现象，裂纹源处微观形貌主要为准解理疲劳断口特征，裂纹源处表面漆层为后期污染所致，裂纹源处未发现原始裂纹、夹杂、折叠等缺陷。B 裂纹源的疲劳裂纹扩展区深度占整个断口厚度的2/3左右，断口为准解理断裂，细疲劳纹间有疲劳贝壳纹。B 裂纹源侧瞬间断裂区微观形貌为撕裂韧窝的韧性断裂，如图3（d）所示。从B 裂纹源的
元素
C S Si Mn P 实测成分
0.60
0.005 1.500.870.020标准要求0.56~0.64
≤0.035
1.50~
2.00
0.60~0.90
≤
0.035
图1 板簧样品断口宏观形貌
表
1 化学成分分析结果
图2 A 裂纹源断口形貌
(a)16×(c)A2区，17×(e)A3区，2 000×(b)A1区，2 000×
(d)A2区，2 500×
(f)A3区，4 000×
柚子去皮机125
环境技术/Environmental Technology
整个断口疲劳扩展区看，疲劳贝壳纹分布均匀细小且扩展区域占断口的80 %以上。样品承受的名义应力影响疲劳裂纹扩展区和瞬断区的面积比例，名义应力越大，瞬间断裂区面积越大[5]。B 裂纹源侧瞬间断裂区约占20 %，说明样品承受的外力平稳，且名义应力并不大。
将表面漆层退掉后对A 裂纹源附近外表面形貌进行观察，表面存在多条平行断口的微裂纹，如图4所示，说明A 裂纹源附近外表面受到一定程度磨损。对比A 和B 两个裂纹源处微观形貌可知，裂纹起始于A 裂纹源及B 裂纹源处，A 裂纹源处最先起裂，在扩展到一定深度后，B 裂纹源处萌生裂纹。A 裂纹源一侧断口明显分为3个区域（A1区、A2区、A3区）。
２．４ 非金属夹杂物评定
垂直于断口纵向剖开板簧进行非金属夹杂物评定、金相组织分析。在样品镶嵌后抛光态下观察其非金属夹杂物级别，根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行评级，结果见表2。从检测结果可知60Si2Mn 板簧夹杂物控制较好，只有少量的夹杂物。夹杂物形貌
见图5。
２．５ 金相分析
图6所示为A 裂纹处形态及附近表面裂纹。由图可知，在A 裂纹源附近可见垂直断面的微裂纹，深度约为0.15 mm，与形貌分析结果吻合，微裂纹呈喇叭口状，开口处明显凹陷且圆滑，推测为磨削形成凹坑缺陷，在后期受力情况下微裂纹在凹坑处萌生。将样品侵蚀后观察金相组织，如图7所示，A 裂纹源处存在脱碳现象，裂纹源附近由于表面受到磨损，脱碳层无法准确测量，全脱碳层已被磨掉，未磨掉的脱碳层深度约为0.08 mm，脱碳层不完整，且断面无脱碳现象，说明A1区非原始裂纹。在A 裂纹源附近未被磨损区域可见明显全脱碳，最表层
A 硫化物类细系
B 氧化铝类
细系C 硅酸盐类
细系D 球状氧化物类
细系
DS 单颗粒球状
夹杂类
0.5级
0.5级
0.5级
0.5级
1
级
图4 A 裂纹源外表面形貌
(a)40×(c)扩展区形貌（2 500×）(b)1 000×
(d)
瞬断区形貌（2 000×）
图3 B 裂纹源断口形貌
表2 非金属夹杂物评定结果脱碳组织为粗大铁素体晶粒，在外力作用下初始裂纹易在粗大铁素体处萌生，脱碳层的存在降低了表面硬度及疲劳强度。
B 裂纹源处附近外表面未发现微裂纹，如图8（a）所示。将样品侵蚀后观察，表面存在全脱碳现象，脱碳层深度约为0.10 mm，如图8（b）和（c）所示。样品表面无磨损区域存在全脱碳层，全
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图5 非金属夹杂物（纵向100×）
444gggg(a)100×(a)100×(a)100×(b)500×
(c)500×
(c)500×
(b)500×
(b)100×
脱碳层存在粗晶铁素体晶粒，晶界较明显，脱碳层深度约为0.09 mm，如图9（a）所示；芯部金相组织为：回火屈氏体 + 少量铁素体，如图9（b）所示。
２．６ 硬度测试
采用HR-150A 型洛氏硬度计对板簧断口处芯部进行洛氏硬度测试，测试结果为硬度（HRC）：45.5、45.0、45.0，符合60Si2Mn 技术要求（HRC）：40.5～
高压mos管
47.0。
图6 A 裂纹源处形态（a）及附近裂纹（b）
图7 A 裂纹源处（a、b）及附近金相组织（c）
图8 B
裂纹源处形态（a）及金相组织（b、c）
（下转131页）
(b)500×
(a)100×
图9 正常区域表面（a）和芯部（b）金相组织
（上接126页）
３ 结论
60Si2Mn板簧样品化学成分符合60Si2Mn标准要求；
芯部金相组织无异常；芯部硬度满足技术要求。裂纹起
始于A裂纹源及B裂纹源处，A裂纹源处表面存在粗大
铁素体全脱碳层，降低了表面硬度及疲劳强度，起始裂
纹易在粗大铁素体处萌生，且在受到长时间磨损后表面
形成凹坑缺陷，外力作用下凹坑缺陷处存在应力集中现
象易萌生裂纹导致A裂纹源最先发生开裂。
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参考文献：
参考文献：
作者简介：
作者简介：
佘祖新（1988-），女，贵州人，硕士，工程师，主要从事环境试
验研究工作。
马会凯（1979-），女，上海市质检院电子电器与家用电器检验所，
工程师，从事电子电器与家用电器质量检测等相关检测与业务工作。
许毅（1979-），女，上海市质检院电子电器与家用电器检验所附
件检验室副主任，高级工程师，上海交通大学博士，主要从事电子电
器与家用电器质量检测等相关科研和标准改进工作。
王家星（1982-），男，上海恒测检测技术有限公司负责人，从事
汽车相关检测工作。
陆斌（1970-），男，上海市质检院电子电器与家用电器检验所附
件检验室主任。
支撑和市场延续产出的需要，更是第三方检测机构职能
的必要工作，相关测试设备和配件的研发和规范化工作
仍需不断推进。
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