汽車鋼板彈簧斷裂失效分析

唐剛

(比亞迪汽車工業(yè)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(yīng)力載荷，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到車輛行駛的平順性及操控穩(wěn)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(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)時(shí)，加載循環(huán)次數(shù)在(3～6)萬(wàn)次左右時(shí)出現(xiàn)不同程度的斷裂現(xiàn)象，而未達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)(設(shè)計(jì)壽命要求達(dá)8萬(wàn)次以上)。

該鋼板彈簧材料為50CrV鋼，鋼板彈簧經(jīng)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(duì)其斷裂失效件進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

1 檢測(cè)過程與結(jié)果

1.1 疲勞試驗(yàn)情況介紹

采用的疲勞試驗(yàn)設(shè)備為機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 19844-2018《鋼板彈簧技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽車用鋼板彈簧臺(tái)架試驗(yàn)方法裝夾、試驗(yàn)，如圖1所示。

1.2 疲勞試驗(yàn)條件

按GB/T 19844-2018《鋼板彈簧技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)6.3.4規(guī)定：在應(yīng)力幅為323.6 MPa、最大應(yīng)力為833.5 MPa的試驗(yàn)條件下進(jìn)行垂直負(fù)荷下的疲勞試驗(yàn)。

1.3 宏觀觀察

斷裂發(fā)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(gè)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(yīng)力的一側(cè)，裂紋源處存在多條臺(tái)階條紋由表及里擴(kuò)展，即多源疲勞；說(shuō)明疲勞源區(qū)存在高應(yīng)力集中現(xiàn)象。斷口上未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞擴(kuò)展弧線，這主要是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室疲勞臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)一般為短時(shí)恒幅加載。前后鋼板彈簧的斷口形貌非常相似，源區(qū)的位置幾乎相同，說(shuō)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(duì)斷口形貌作進(jìn)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(tái)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(cè)

使用洛氏硬度計(jì)測(cè)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(shù)條件》中6.4.1條規(guī)定的簧片硬度在41～48HRC的要求。

1.6 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂鋼板彈簧的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1。說(shuō)明送檢鋼板彈簧的化學(xué)成分符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)50CrV鋼的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.7 金相分析

在疲勞源處取金相試樣，置于光學(xué)顯微鏡下觀察，如圖7所示。非金屬夾雜物A類評(píng)為1.5級(jí)(細(xì)系)、B類評(píng)為0.5級(jí)、C類評(píng)為0.5級(jí)、D類評(píng)為1.0級(jí)(粗系)。其非金屬夾雜物等級(jí)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(jù)QC/T 528-1999《汽車鋼板彈簧 金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，其金相組織等級(jí)為4級(jí)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的金相組織1～5級(jí)的合格要求。表面存在輕微半脫碳現(xiàn)象，其總脫碳層深度約0.24 mm，符合有關(guān)技術(shù)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(tài)屬噴丸引起的，經(jīng)測(cè)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(xiàn)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(tái)階條紋，表明彈簧表面存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)鋼板彈簧表面進(jìn)行掃描電鏡觀察和金相檢測(cè)結(jié)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(chǎn)生應(yīng)力集中而形成疲勞源區(qū)。同時(shí)金相檢測(cè)結(jié)果也表明疲勞裂紋起始于凹坑底部, 并檢測(cè)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(yīng)力作用下(通常為拉應(yīng)力),在金屬表面產(chǎn)生不均勻的滑移,因此疲勞裂紋常產(chǎn)生在構(gòu)件的表面, 所以構(gòu)件的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)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(chǎn)生應(yīng)力集中,使構(gòu)件疲勞強(qiáng)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(lái)提高構(gòu)件抗疲勞強(qiáng)度,其作用不僅使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,而且還可以消除表面缺陷,降低缺口應(yīng)力集中系數(shù)。但當(dāng)噴丸條件不合理時(shí), 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(gòu)件的抗疲勞性能。

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核鋼板彈簧安裝方式和加載方法，均符合相關(guān)技術(shù)要求和規(guī)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(dāng), 使彈簧表面留下的凹坑過大和過深, 且呈尖角形態(tài), 凹坑的底部成為應(yīng)力集中區(qū)而形成疲勞源。

(3)嚴(yán)格控制噴丸工藝, 對(duì)彈丸的來(lái)料進(jìn)行篩選，避免不規(guī)則的彈丸對(duì)彈簧表面產(chǎn)生損傷，同時(shí)也要控制彈丸運(yùn)動(dòng)速度。

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

(5)根據(jù)以上分析結(jié)論，嚴(yán)格控制噴丸工藝，對(duì)彈丸的來(lái)料進(jìn)行篩選，使鋼板彈簧的疲勞得到明顯提高，在進(jìn)行疲勞臺(tái)架驗(yàn)證時(shí)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。