汽车用钢板弹簧失效分析

汽车用钢板弹簧失效分析

梁希平

身份证号：370126199405035214

摘要：钢板弹簧是汽车悬架的重要组成部分，钢板弹簧在汽车行驶中承受交变应力载荷，其产品质量直接关系到车辆行驶的平顺性及操控稳定性。汽车钢板弹簧是汽车悬架应用最为广泛的一种弹性元件,具有可靠性好、结构简单、制作工艺流程短等优点。

关键词：汽车用；钢板弹簧；失效分析

引言

汽车钢板弹簧由若干片曲率半径不同、长度不同、宽度相同的弹性钢片叠加而成,在整体上近似等强度的弹性梁,具有减震和导向作用。钢板弹簧的中部通过U型螺栓（又称骑马螺栓）固定在车桥上，其作用是通过悬挂的方式连接车架和车桥。钢板弹簧裸露在车架与车桥之间，承受车轮对车架的冲击、弯曲和振动载荷，通过吸收车辆动能，将动能转化为弹性势能，从而起到缓冲作用，保证车辆的平稳性和安全性。

1理化检验

1.1断口宏观分析

断裂位置距离钢板弹簧中心35mm处，从图中可以看到钢板弹簧表面布满喷丸留下的凹坑。钢板弹簧的断口形貌，从图中可以看出，断口与钢板弹簧长度方向垂直，无明显塑性变形，为宏观脆性开裂，断口表面较粗糙，在B区域可以观察到明显的撕裂棱，根据撕裂棱的方向可知A区域为裂纹源区，钢板弹簧断裂起源于表面，其余区域（C区）为最终断裂区。

1.2断口微观分析

用扫描电镜观察钢板弹簧断口中的裂纹源区和扩展区的微观形貌，从图中可以看出该区域为解理断裂，属于微观脆性断裂，在裂纹源区可以观察到二次裂纹。可以观察到疲劳辉纹，说明扩展区是在力的循环作用下形成的。将钢板弹簧放到UniMT-12000A/D荧光磁粉探伤机中进行复合磁化，轴向电流为3500A，纵向电流为2000A，磁化2次，磁化时间为1s。钢板弹簧表面磁粉探伤形貌，从图中可以看到钢板弹簧表面存在多条磁痕，钢板弹簧断口的裂纹源区域A和B处有明显的裂纹存在，说明钢板弹簧在台架试验前表面已有裂纹存在，需要进一步分析裂纹产生的原因。

1.3裂纹微观形貌分析

用OLYMPUSGX53光学显微镜对裂纹形貌和裂纹处的显微组织进行检测。裂纹靠近钢板弹簧表面和尖端的形貌，从图中可以看出裂纹在试样表面的宽度比内部要大，说明试样从表面开裂，向材料内部扩展。从图中还可以看出，裂纹尖端较尖锐，但是裂纹的扩展不是沿直线进行。热处理后裂纹靠近钢板弹簧表面和尖端处的显微组织，从图中可以看出裂纹两侧及尖端未出现脱碳及氧化现象，说明裂纹是在淬火过程中或者淬火后产生的。采用HR-150A洛氏硬度计测量钢板弹簧硬度，在表面和心部各取3个点，表面硬度平均值为48.2HRC（49.0、47.5、48.1HRC），心部硬度平均值为47.6HRC（48.5、47.3、47.0HRC）。表面和心部硬度较均匀，均满足技术要求的46~50HRC。

2试验结果

2.1宏观分析

钢板弹簧裂纹起始面及断裂面的宏观形貌。靠近断口外表面的防护漆层完全剥落，表面锈蚀严重，呈黑褐色，表面存在较多平行于断面的微裂纹，其中，有些位置的微裂纹较密集。断口锈蚀严重，呈黑褐色，多源起裂，存在较多裂纹扩展形成的疲劳台阶纹，疲劳扩展区约占断面的80%，快速断裂区占20%。

2.2材质分析

将样品表面的腐蚀产物层打磨后，钻取铁屑对基体材质进行分析。检测结果可知，基体的化学成分符合GB/T1222—2016《弹簧钢》的要求，根据GB/T228.1—2010要求，从基体中取标准拉伸试样进行拉伸试验，拉伸试样分别标记为拉伸件1#、拉伸件2#、拉伸件3#。由表2的检测结果可知，试样的拉伸性能满足GB/T1222—2016《弹簧钢》的要求。

2.3断口分析

断口形貌记录了金属断裂的全过程，包括裂纹萌生、扩展直至断裂过程中的各种信息。断口裂纹存在多点起裂，裂纹源处有多个台阶纹，说明存在应力集中。裂纹源处存在表面圆滑的腐蚀坑缺陷，疲劳裂纹在腐蚀坑底部萌生并扩展，导致裂纹源处腐蚀严重，表面被腐蚀产物层覆盖。为准解理特征，疲劳裂纹扩展区占断面面积80%以上，为高周疲劳开裂。为韧窝和撕裂的韧性断裂。断口外表面形貌，表面被厚厚的腐蚀产物层覆盖，局部存在腐蚀坑及微裂纹，微裂纹纵深扩展，裂纹开口处存在明显的基体腐蚀剥落现象。

2.4非金属夹杂物评定

基体中非金属夹杂物是炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼反应物进入钢液中形成的，非金属夹杂物的存在一定程度破坏了材料的连续性和完整性，是有害物质。根据非金属夹杂物的不同形状及颜色差异，分为A类（硫化物类）、B类（氧化铝类）、C类（硅酸盐类）、D类（球状氧化物类）、Ds类（单颗粒球状类）；根据不同种类非金属夹杂物的宽度，分为细系、粗系。非金属夹杂物评定级别为0~3级，级别控制越低，说明材料中非金属夹杂物控制越好。对非金属夹杂物进行评定，取样位置符合GB/T10561—2005，钢板弹簧中非金属夹杂物的含量符合60Si2Mn材料的技术要求。

2.5金相分析

对垂直表面微裂纹取样进行观察，在2个位置存在深浅不一的腐蚀坑。腐蚀坑表面粗糙，存在腐蚀产物层，深度约为180μm；内壁凹凸不平，腐蚀坑内填充灰色腐蚀产物；靠近壁部的腐蚀产物相对致密；在外层的腐蚀产物相对疏松，呈层片状并存在脱离剥落现象。在腐蚀坑底部，裂纹萌生并向纵深扩展，裂纹开口宽、尾部窄，裂纹内部填充灰色致密腐蚀产物，表明裂纹在扩展过程中两侧基体同步发生腐蚀。

3分析与讨论

由断口分析可知，钢板弹簧属典型疲劳断裂。在裂源处有多条台阶条纹，表明弹簧表面存在应力集中现象。对钢板弹簧表面进行扫描电镜观察和金相检测结果表明，弹簧表面存在较多的凹坑;这些凹坑存在就有可能产生应力集中而形成疲劳源区。同时金相检测结果也表明疲劳裂纹起始于凹坑底部，并检测到在凹坑处有微裂纹存在。金属疲劳裂纹的形成主要是由于在交变载荷应力作用下(通常为拉应力)，在金属表面产生不均匀的滑移，因此疲劳裂纹常产生在构件的表面，所以构件的表面质量对疲劳强度影响非常很大。所以表面损伤如刀痕、凹坑、缺口等，这些缺陷处易产生应力集中，使构件疲劳强度大幅下降。钢板弹簧在最终成型之前通常采用喷丸方法来提高构件抗疲劳强度，其作用不仅使表面产生残余压应力，而且还可以消除表面缺陷，降低缺口应力集中系数。但当喷丸条件不合理时，如喷丸过度或在较高的喷丸压力下就可能造成表面损伤，降低构件的抗疲劳性能。钢板弹簧断裂的原因为:弹簧受到泥沙和雨水的侵蚀和污染,弹簧钢片之间存在严重的摩擦,使弹簧表面产生腐蚀凹坑,凹坑底部存在疲劳裂纹,随后在大应力作用下,弹簧发生断裂。其他区域为瞬断区,表明钢板弹簧在服役过程中所受应力较大,断口的性质为典型多源低周高应力疲劳断裂;从断口的微观形貌可知:在弹簧拉应力表面有多处大小不一致且呈半圆形的凹坑,凹坑底部较光滑,凹坑附近组织无明显的塑形变形痕迹,表明凹坑为表面腐蚀凹坑,在凹坑的底部可见多条垂直于表面的裂纹。弹簧钢片表面有明显的磨损、挤压痕迹,磨损处钢片厚度有所减薄,说明弹簧钢片之间发生磨损,导致表面漆膜脱落,新鲜的金属光泽暴露在腐蚀介质中,又因为弹簧表面吸附了水或泥土,使弹簧表面形成了许多腐蚀凹坑。当腐蚀凹坑的拉应力超过材料的疲劳强度,便会在凹坑的底部萌生疲劳裂纹,最终发生疲劳断裂。建议钢板弹簧在服役过程中进行定期维护,在弹簧钢片之间加润滑剂,在服役过程中尽量杜绝超载现象。同时采用富锌漆作底漆,加喷面漆,以提高弹簧表面的耐腐蚀性能。

结语

通过对钢板弹簧断口形貌、显微组织、化学成分、力学性能等进行检测和观察，并结合钢板弹簧生产和测试过程，得出的结论为：1）热处理过程中产生的淬火裂纹是钢板弹簧在台架疲劳试验中开裂的主要原因；2）原材料存在网状铁素体和晶粒粗大是钢板弹簧淬火时产生开裂的主要原因。

参考文献

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