鋼板彈簧的失效分析

熊春英，羅學泉，鐘 球，唐新民

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

鋼板彈簧是大中型卡車懸架最廣泛選用的的彈性元件。本文分析的鋼板彈簧材質為51CrV4，其熱處理工藝為:淬火(880±20℃，油冷)，回火(540±10℃，空冷)，鋼板彈簧片表面進行噴丸及涂漆處理。該鋼板彈簧按國標要求裝車路試行程45000 km后不發生斷裂為合格，但其搭載路試車進行耐久試驗時，行駛16858 km時發生了早期斷裂失效。為了分析斷裂原因，解決失效問題，我們對鋼板彈簧的斷口形貌、材料組織與性能、受力情況等進行了檢測分析。

1 檢測方法及結果

1.1 斷口宏觀檢測

鋼板彈簧為變截面板簧，其斷裂的位置離卷耳231～260 mm處，見圖1(a);斷口的宏觀形貌見圖1(b)。整個斷口表面較平坦，未見明顯塑性變形。根據斷面特征可將斷口分為兩個區，即1區和2區，見圖2(a)。1區位于上表面，呈灰白色，明顯可見對稱分布的疲勞弧線特征，初步可判斷為裂紋源，占整個斷面的極小一部分。2區上表面可見到較多的剪切唇，整個區呈銀灰色與紅銹色，表面較粗糙，判斷為裂紋擴展區和瞬時斷裂區，約占整個斷面絕大部分。在鋼板彈簧斷口附近的上表面處出現漆層脫落，存在多處小凹坑形貌的微裂紋，見圖2(b)。

圖1 斷裂失效的鋼板彈簧(a)fractured position of leaf spring;(b)fracture of leaf spring Fig.1 The fractured leaf spring

圖2 鋼板彈簧斷口形貌(a)macroscopic morphology of fracture;(b)upper surface of leaf spring Fig.2 The fracture morphology of leaf spring

1.2 斷口的微觀檢測

對斷口進行掃描電鏡微觀分析，圖3(a)為源區的低倍顯微形貌，圖3(b)為源區的高倍顯微形貌，進一步觀察到疲勞源區起始于零件的表面，同時檢測結果顯示此區域未見明顯的冶金缺陷。圖3(c)是裂紋的擴展區，可以明顯看到磨損、氧化的痕跡，且有較細密的疲勞條帶與二次裂紋。圖3(d)是斷口附近上表面的顯微形貌，可見較多的漆層脫落，并伴隨裂紋和腐蝕特征。

圖3 斷口微觀形貌及斷口附近上表面形貌(a)crack source in low magnification;(b)crack source in high magnification;(c)crack propagation extent;(d)upper surface near fracture Fig.3 The microscopic morphology of fracture and upper surface morphology of leaf spring

為了進一步分析斷裂的原因，人工將上側表面的裂紋打開對其進行微觀形貌觀察，發現斷口存在兩個疲勞區，即3區和4區。3區起源于彈簧片上表面，斷面可見明顯的疲勞條帶形貌，未見明顯的冶金缺陷，見圖4(a)。4區同樣可見疲勞條帶，并可見摩擦痕跡，見圖4(b)。

圖4 人工打開的斷口形貌(a)crack source 3 region in low magnification;(b)crack source 4 region in low magnificationFig.4 Artificial interrupted the fracture morphology

1.3 化學成分分析

在斷口附近截取試樣，進行化學成分分析，見表1。結果顯示彈簧片的化學成分符合51CrV4要求。

表1 彈簧片化學成分及技術要求(質量分數，%)Table 1 The chemical composition and technical requirement of leaf spring(ω，%)

1.4 金相組織檢測

在斷口附近沿彈簧片橫向截取金相試樣，經研磨拋光后用濃度為4%的硝酸酒精腐蝕，在光學金相顯微鏡下觀察其金相組織。金相分析結果顯示，靠近上表面和下表面的金相組織與心部組織不同，表層有一層由白色鐵素體組成的半脫碳層，且越靠近表面，鐵素體的比例越大，見圖5(a)和圖5(b)。心部組織較均勻，為回火屈氏體和少量未溶解的碳化物顆粒，越靠近心部，回火屈氏體分布越均勻，見圖5(c)。依據JB 3782—1984《汽車鋼板彈簧金相檢驗標準》對組織進行評級，試樣的金相組織為2級，滿足金相組織1～5級的要求。

圖5 斷口附近的金相組織(a)upper surface;(b)under surface;(c)core Fig.5 Metallographic structure near the fracture

1.5 脫碳層檢測

取金相試樣進行脫碳層檢驗，見圖6，測量結果見表2，其總脫碳層深度平均值均小于0.25 mm，符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求。此外，表面未見明顯的變形與缺陷。

表2 脫碳層測量結果Table 2 The measurement results of the decarburization

圖6 彈簧片金相試樣脫碳層形貌Fig.6 Decarburization morphology of leaf spring metallurgical sample

1.6 非金屬夾雜物測試

在彈簧片寬度的1/4處截取斷口的縱截面制備成金相試樣進行非金屬夾雜物評定，結果見表3。評定結果顯示非金屬夾雜物等級符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求。

表3 非金屬夾雜物評定結果Table 3 The assessment of non-metallic inclusions

1.7 硬度測試

在彈簧片附近沿橫向截取硬度試樣，研磨拋光后進行顯微維氏硬度測試(載荷為500 gf)，并參照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算成洛氏硬度，結果見表4。由測試結果可知，彈簧片靠近上表面、靠近下表面和心部位置的硬度均較均勻，其中靠近上、下表面的硬度值均為38.0 HRC，心部硬度值為44.5 HRC。

表4 維氏硬度測試結果Table 4 The measurement results of vickers hardness

1.8 鋼板彈簧受力分析

鋼板彈簧縱截面為梯形的變截面，其示意圖見圖1。為了方便分析鋼板彈簧受力情況，可將其簡化成懸臂梁，卷耳為力的作用點，中間螺栓安裝孔可視為固定點，作用力為臺架耐久試驗施加的力，即13600 N。通過式(1)可計算鋼板彈簧的受力情況，

式中:P為端部載荷;x為距端部距離;b為鋼板彈簧的寬度;W(x)為斷面的斷面系數;t(x)為沿片長的厚度。

其結果見圖7，可看出在離吊耳220～350 mm之間受到最大的應力。再檢測斷裂的鋼板彈簧時，發現其斷裂的位置都在離卷耳231～260 mm處，正好處于鋼板彈簧受力最大的范圍內。受力分析結果表明，鋼板彈簧受到載荷時候，離卷耳220～350 mm處即斷裂處存在較大的應力集中現象，進一步驗證了鋼板彈簧是受到較大應力，超過其承載的能力而發生了早期斷裂。

圖7 鋼板彈簧受力情況Fig.7 The forces of leaf spring

2 討論與分析

鋼板彈簧的斷裂都可以從斷裂力學角度出發尋找原因，通過宏觀斷口及微觀斷口的檢測，得出斷口上存在明顯的疲勞弧線與疲勞條帶并起源于彈簧片上表面，瞬時斷裂區形貌特征為沿晶加韌窩的混合特征，由此判斷彈簧片的斷裂性質屬于疲勞斷裂。影響疲勞裂紋的擴展的主要因素有［1］:1)材料本身的特性;2)零件受到的外力。從上述對彈簧片化學成分、金相組織、表面脫碳、夾雜物和硬度的各項檢測結果顯示，鋼板彈簧材料符合國家標準要求，說明外力是影響零件疲勞壽命的關鍵因素。當外力較大時，在鋼板彈簧表面提前萌生微裂紋，并在此大應力作用下發生擴展。在載荷較大時，裂紋僅需擴展較小區域即能滿足應力強度因子大于材料斷裂韌度的條件，而導致斷裂。此樣件的疲勞區域非常小，僅占整個斷口的面積的5%，屬于受到較大的應力導致疲勞斷裂的情況［2］。

找到鋼板彈簧失效原因后，我們通過降低鋼板彈簧所受應力方案的認證，較好地解決了這個問題，從實踐中也進一步證實了鋼板彈簧的失效是由于行駛應力過大造成的。

［1］ 李慶芬，張奎，朱世范.斷裂力學及工程應用［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，1998.

［2］ 朱華明，劉富續.汽車鋼板彈簧斷裂分析［J］.理化檢驗2物理分冊，2001，37(6):257－259.