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弹簧断口分析方法

弹簧断口分析方法
  弹簧断口分析分宏观分析与微观分析两大类。放大倍数在50X以下称为宏观弹簧断口分析,放大倍数在50X以上称为微观弹簧断口分析。
  
  一、宏观分析
  
  宏观分析指用肉眼、放大镜或低倍率光学显微镜观察分析弹簧断口。宏观分析是断裂分析的基础,通过宏观分析可以确定断裂的性质、受力状态、裂纹源位置、裂纹扩展方向及材料性能估价。
  
  根据弹簧断口表面粗糙度及反光情况可以大致判断断裂性质。一般解理断裂弹簧断口表面光滑平整,弹簧断口颜色光亮有金属光泽。韧窝弹簧断口表面呈纤维状粗糙不平,表面颜色灰暗无结晶颗粒无金属光泽。疲劳弹簧断口上通常有海滩状花样,疲劳源处光滑细腻。脆性材料瞬断区为结晶状,韧性材料为纤维状和剪一切唇弹簧断口。脆性沿晶弹簧断口为结晶状和反光的小刻面。应力腐蚀弹簧断口表面无金属光泽。
  
  观察弹簧断口上有无塑性变形、剪切唇、毛刺及台阶能够判断零件受力情况。脆性弹簧断口在弹簧断口附近没有宏观塑性变形迹象,弹簧断口源区边缘无剪切唇,弹簧断口与正应力垂直。剪切弹簧断口附近有明显的塑性变形,弹簧断口倾斜呈45度角,弹簧断口沿最大剪切应力平面扩展。
  
  材料性能估价:根据拉伸弹簧断口上纤维区、放射区和剪切唇三区比例可以粗略估价材料性能。纤维区比例大材料的塑性韧性好,放射区比例大材料的塑性降低,脆性增大。又如冲击弹簧断口上若无放射区说明材料的塑性好。若放射区比例大则材料脆性大。
  
  另外还要观察弹簧断口表面是否有氧化色及有无腐蚀的痕迹,据此判断零件工作温度、工作环境。
  
  二、光学显微镜弹簧断口分析
  
  光学显微镜弹簧断口分析是指用金相显微镜和双镜筒的立体显微镜分析弹簧断口。
  
  在宏观分析后一般用光学显微镜观察材料的显微组织及裂纹形态特征、走向及裂纹始末端情况及裂纹两侧显微硬度变化、夹杂物分布和裂纹内的氧化物或腐蚀产物形态等内容。
  
  为搞清弹簧断口走向与组织的关系经常在光学显微镜下观察与弹簧断口对应的显微组织。将断日保护好后在与其垂直或成一定角度的剖面上制取全相试样。也可用光学显微镜观察弹簧断口复型。
  
  三、电镜弹簧断口分析
  
  透射电镜与扫描电镜近年来在断门分中得到了广泛的应用。
  
  透射电镜在弹簧断口分析中的应用卞要是:
  
  1)塑料一碳二级复型用来观察弹簧断口形态,它能给出扫描电镜所不能分辨的细节并可以在更高的倍率下观察这些细节。例如在扫描电镜下很难观察到钢铁中的疲劳条纹,如做塑料一碳二级复型在透射电镜下观察就可以得到清晰的条纹图像。图2-11为18NC16钢尾输出锥齿轮疲劳弹簧断口塑料一一碳二次复型照片。在2-1118NC16钢锥齿输疲劳辉纹x 28000扫描电镜下看不到疲劳条纹。
  
  2)弹簧断口萃取复型:利用AC纸将弹簧断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构,如结合能谱分析所给出的质点成份就能更准确的定结构。图2- 12为35CrNiMoV钢弹簧断口上的条状a-MnS夹杂及其电子衍射谱。
  
  (3)为搞清断裂的原因有时需要从弹簧断口上切取金属薄膜进行透射电镜分析。研究引起断裂的质点形态、大小及分布以及与母相间位向关系。图2-13为12Cr1MoV钢解理弹簧断口,图2-14为从该弹簧断口上切取金属薄膜的透射电镜照片及衍射谱。经分析产生解理断裂的原因是在(001)面上片状钒的氮化物析出所致。
  
  扫描电镜由于放大倍率连续可调(从20倍~上万倍)、景深大、立体感强,不需另外制备样品,在弹簧断口分析中得到了广泛的应用
  
  1)利用扫描电镜观察弹簧断口形貌:
  
  2)观察与弹簧断口成一定角度的剖面组织,研究弹簧断口形貌与显微组织之间的对应关系、裂纹走向、断裂机理。图2-15(a、b)为双相钢弹簧断口剖面照片。从照片2-15(a)中看到在较高△K时解理断裂主要发生在铁素体相内。在低△K和高△K时(图2-15b),疲劳裂纹绕过马氏体,始终在铁素体相内扩展。
  
  3)配有能谱或波谱的扫描电镜上可进行弹簧断口上夹杂物、第二相或微区成份分析。
  
  4)在配有动态拉伸台的扫描电镜上可以观察拍照拉仲样品裂纹萌生、扩展直至断裂全过程。
  
  5)采用与金相浸蚀剂相同的腐蚀试剂浅腐蚀弹簧断口表面可同时显示弹簧断口形貌与显微组织。
  
  6)利用位向腐蚀坑技术即利用晶体材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向,分析断裂机理或断裂过程。
  
  7)表2-3给出腐蚀坑技术中常用腐蚀剂。腐蚀时间一般为几秒至十几秒。
  
  8)弹簧断口定量分析研究弹簧断口上几种形貌特征的分布、大小及数量之间的关系。
  
  9)利用扫捕电镜立体对技术能够观察到具有立体形貌的特征。图2-16为低碳钢立体对照片。

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