汽車鋼板彈簧斷裂失效分析

唐剛

(比亞迪汽車工業有限公司，廣東深圳 518118)

0 引言

鋼板彈簧是汽車懸架的重要組成部分，鋼板彈簧在汽車行駛中承受交變應力載荷，其產品質量直接關系到車輛行駛的平順性及操控穩定性。

某車型采用的鋼板彈簧為少片變截面板簧。該鋼板彈簧在進行臺架疲勞試驗時，加載循環次數在(3～6)萬次左右時出現不同程度的斷裂現象，而未達到相關技術指標(設計壽命要求達8萬次以上)。

該鋼板彈簧材料為50CrV鋼，鋼板彈簧經淬火、回火處理后，表面噴丸處理。為了找出該鋼板彈簧的斷裂原因，對其斷裂失效件進行了理化檢驗與分析。

1 檢測過程與結果

1.1 疲勞試驗情況介紹

采用的疲勞試驗設備為機械式疲勞試驗機，按GB/T 19844-2018《鋼板彈簧技術條件》標準規定的汽車用鋼板彈簧臺架試驗方法裝夾、試驗，如圖1所示。

1.2 疲勞試驗條件

按GB/T 19844-2018《鋼板彈簧技術條件》標準6.3.4規定：在應力幅為323.6 MPa、最大應力為833.5 MPa的試驗條件下進行垂直負荷下的疲勞試驗。

1.3 宏觀觀察

斷裂發生在前鋼板彈簧組第三片，后鋼板彈簧組第一、二片，如圖2中箭頭所指位置,斷裂位置距離卷耳235～245 mm。斷口宏觀形貌如圖3、圖4所示。整個斷口表面較平坦，未見明顯塑性變形，表面油漆完整。

圖2 鋼板彈簧斷裂位置

圖3 鋼板彈簧斷口宏觀形貌1

圖4 鋼板彈簧斷口宏觀形貌2

從斷裂彈簧的宏觀形貌可知，斷口具有明顯疲勞斷裂特征，疲勞源位于受拉應力的一側，裂紋源處存在多條臺階條紋由表及里擴展，即多源疲勞；說明疲勞源區存在高應力集中現象。斷口上未發現明顯的疲勞擴展弧線，這主要是因為在實驗室疲勞臺架試驗時一般為短時恒幅加載。前后鋼板彈簧的斷口形貌非常相似，源區的位置幾乎相同，說明表面斷裂是由相同條件引起的。

1.4 掃描電鏡分析

使用超聲波+丙酮清洗斷口后置于掃描電鏡下對斷口形貌作進一步觀察，低倍下可觀察到鋼板彈簧表面的凹坑，凹坑處有多條放射狀臺階條紋，如圖5和圖6所示。

圖5 鋼板彈簧微觀斷口形貌(一)

圖6 鋼板彈簧微觀斷口形貌(二)

1.5 硬度檢測

使用洛氏硬度計測量斷裂鋼板彈簧硬度，硬度為44.0～44.5HRC，符合GB/T 19844-2018《鋼板彈簧技術條件》中6.4.1條規定的簧片硬度在41～48HRC的要求。

1.6 化學成分分析

對斷裂鋼板彈簧的化學成分進行檢測，結果見表1。說明送檢鋼板彈簧的化學成分符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》標準對50CrV鋼的要求。

表1 化學成分分析結果(質量分數) %

1.7 金相分析

在疲勞源處取金相試樣，置于光學顯微鏡下觀察，如圖7所示。非金屬夾雜物A類評為1.5級(細系)、B類評為0.5級、C類評為0.5級、D類評為1.0級(粗系)。其非金屬夾雜物等級符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》的要求。

圖7 非金屬夾雜物(100×)

使用4%硝酸酒精侵蝕后觀察，斷裂鋼板彈簧基體組織為均勻回火屈氏體，如圖8所示。依據QC/T 528-1999《汽車鋼板彈簧 金相檢驗標準》對組織進行評級，其金相組織等級為4級，滿足標準要求的金相組織1～5級的合格要求。表面存在輕微半脫碳現象，其總脫碳層深度約0.24 mm，符合有關技術要求，如圖9所示。

圖8 斷裂鋼板彈簧基體組織(500×)

圖9 斷裂鋼板彈簧表面組織(200×)

在裂紋源附近的表面有多條微裂紋，這些微裂紋主要起始于表面凹坑底部，如圖10所示；凹坑形態屬噴丸引起的，經測量凹坑深0.28～0.38 mm。

圖10 鋼板彈簧斷口附近微裂紋(100×)

在凹坑尖角位置的顯微組織有明顯變形現象，并有輕微的脫碳。

2 分析與討論

由斷口分析可知, 鋼板彈簧屬典型疲勞斷裂。在裂源處有多條臺階條紋，表明彈簧表面存在應力集中現象。對鋼板彈簧表面進行掃描電鏡觀察和金相檢測結果表明,彈簧表面存在較多的凹坑；這些凹坑存在就有可能產生應力集中而形成疲勞源區。同時金相檢測結果也表明疲勞裂紋起始于凹坑底部, 并檢測到在凹坑處有微裂紋存在。

金屬疲勞裂紋的形成主要是由于在交變載荷應力作用下(通常為拉應力),在金屬表面產生不均勻的滑移,因此疲勞裂紋常產生在構件的表面, 所以構件的表面質量對疲勞強度影響非常很大。所以表面損傷如刀痕、凹坑、缺口等,這些缺陷處易產生應力集中,使構件疲勞強度大幅下降。

鋼板彈簧在最終成型之前通常采用噴丸方法來提高構件抗疲勞強度,其作用不僅使表面產生殘余壓應力,而且還可以消除表面缺陷,降低缺口應力集中系數。但當噴丸條件不合理時, 如噴丸過度或在較高的噴丸壓力下就可能造成表面損傷,降低構件的抗疲勞性能。

3 結論

(1)現場復核鋼板彈簧安裝方式和加載方法，均符合相關技術要求和規范。

(2)汽車鋼板彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂失效。引起疲勞失效的主要原因是由于噴丸工藝控制不當, 使彈簧表面留下的凹坑過大和過深, 且呈尖角形態, 凹坑的底部成為應力集中區而形成疲勞源。

(3)嚴格控制噴丸工藝, 對彈丸的來料進行篩選，避免不規則的彈丸對彈簧表面產生損傷，同時也要控制彈丸運動速度。

(4)為了保證鋼板彈簧的使用壽命，建議增加側面噴丸，可避免從圓角處產生裂紋源，提高產品使用壽命。

(5)根據以上分析結論，嚴格控制噴丸工藝，對彈丸的來料進行篩選，使鋼板彈簧的疲勞得到明顯提高，在進行疲勞臺架驗證時均滿足相關技術要求。