汽車懸架彈簧斷裂原因分析

(上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201800)

汽車懸架彈簧作為懸架系統中的關鍵零件，直接影響到懸架的減震性能、阻尼性能以及行駛的穩定性[1]。SWI-200彈簧鋼因具有優良的熱處理性能和力學性能，是制造懸架彈簧的常用材料，在汽車及機械領域應用廣泛[2-3]。導致懸架彈簧失效的主要因素有彈簧的內部缺陷和表面缺陷。內部缺陷包括組織異常、非金屬夾雜物等；表面缺陷包括卷簧過程中的擦傷、燒傷，熱成型過程中的橘皮、脫碳現象等[4-5]。SWI-200彈簧鋼為高強鋼，抗拉強度通常大于2 000 MPa，其內部或表面存在缺陷易導致彈簧斷裂失效。

某汽車懸架彈簧材料為SWI-200彈簧鋼，彈簧規格為φ13.2 mm，制造工藝為：(淬火+中溫回火)盤條→冷卷→去應力回火→噴丸→壓縮→質量檢查→噴粉→包裝。該懸架彈簧在裝配后的質量測試過程中發生斷裂，為查明彈簧的斷裂原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

斷裂彈簧的宏觀形貌如圖1所示，可見彈簧斷裂于頂端第一圈，這也是彈簧應力較高的部位。彈簧斷面未見明顯的塑性變形，斷口附近有擦傷且局部漆層已剝脫。

圖1 斷裂彈簧的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured spring

1.2 化學成分分析

采用Bruker型直讀光譜儀對斷裂彈簧進行化學成分分析，結果見表1。可見斷裂彈簧的化學成分滿足企業技術文件對SWI-200彈簧鋼成分的技術要求。

表1 斷裂彈簧的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of fractured spring (mass fraction) %

1.3 斷口分析

1.3.1 斷口宏觀形貌分析

采用VHX-200E型體視顯微鏡觀察斷裂彈簧的斷口形貌，由圖2a)可見，斷口由兩部分(A，B區)組成，斷面有清晰的放射狀裂紋。根據裂紋放射狀棱線擴展的方向可判斷裂紋源有兩處，即裂紋源1和裂紋源2，如圖2b)所示。裂紋源1位于彈簧表面，裂紋源2與彈簧表面距離為0.9 mm。由于斷裂后彈簧表面相互擦傷，裂紋源2的形貌已無法辨別，而裂紋源1的表面漆層完好且未滲透到斷裂面，這說明彈簧是在噴粉工藝后發生的斷裂。

1.3.2 斷口微觀形貌分析

采用EVO MA25型掃描電鏡(SEM)觀察彈簧斷口的形貌，由圖3a)、圖3b)和圖3c)可見，斷口的裂紋源區和A區均呈沿晶+準解理+二次裂紋形貌特征，且晶面較干凈。斷口B區呈韌窩+準解理小平面的形貌特征，如圖3d)所示。斷口A，B區的過渡區呈沿晶+準解理+二次裂紋+韌窩形貌特征，如圖3e)所示。由圖4可見，彈簧裂紋源1處有很薄的白亮層，且白亮層有沿著變形方向流動的趨勢(見圖4b))，而基體無此現象(見圖4a))，高倍下可觀察到白亮層內部分布著許多細小的碳化物[6]碎片(見圖4c))。

圖2 斷裂彈簧斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured spring fracture: a) whole; b) crack source location

圖3 斷裂彈簧斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fractured spring fracture： a) crack source 1; b) crack source 2; c) zone A; d) zone B; e) transition area between zone A and zone B

圖4 斷裂彈簧裂紋源1處的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of crack source 1 of fracture spring: a) base; b) white bright layer, at low magnification; c) white bright layer, at high magnification

使用上述掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對斷口A區沿晶區域進行能譜分析，結果如圖5所示，可見晶面上沒有腐蝕性元素，除了氧元素外，其他均為彈簧基體材料元素。

圖5 斷裂彈簧斷口A區沿晶區域的EDS結果Fig.5 EDS results of intergranular region of zone A of fractured spring fracture

1.4 金相檢驗

在裂紋源1處沿縱向取樣，試樣經鑲嵌、打磨、拋光，使用體積分數為3%的硝酸酒精溶液浸蝕后，使用AXIO Imager. A2m型光學顯微鏡觀察。由圖6a)可見，斷裂彈簧的顯微組織為均勻的回火屈氏體。裂紋源1表面的白亮層深度為26.1 μm。高倍下觀察到裂紋源1附近表面有微裂紋，微裂紋從白亮層起源，以彎曲的鋸齒狀由外向內擴展，如圖6b)所示。

圖6 斷裂彈簧裂紋源1處的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of crack source 1 of fractured spring: a) at low magnification; b) at high magnification

1.5 殘余應力測試

使用LXRD-CHI Microarea System型殘余應力測試儀分別在斷裂彈簧和合格彈簧的表面及距離表面0.1，0.3，0.4 mm處進行殘余應力測試，結果見表2。由表2可見，斷裂彈簧與合格彈簧表面殘余應力接近，說明斷裂彈簧的殘余應力正常。

表2 斷裂彈簧和合格彈簧的殘余應力測試結果Tab.2 Residual stress test results of fractured spring and qualified spring

1.6 硬度測試

使用RB2000型洛氏硬度計對彈簧的心部進行洛氏硬度測試，測得的心部硬度分別為53.5，54.2，54.6 HRC，均符合企業技術文件中52～56 HRC的技術要求。使用ZWICK ZHVU-AF型維氏硬度計對彈簧裂紋源1的白亮層進行維氏硬度測試，測得裂紋源1的白亮層硬度為720～750 HV0.1。

1.7 耐久性測試

對彈簧進行耐久性測試，在不同沖擊載荷的不斷作用下，發現彈簧的裂紋源1處的白亮層先開裂并最終完全斷裂。

2 分析與討論

從化學成分分析、顯微組織及硬度測試結果來看，斷裂彈簧的化學成分、顯微組織、硬度均滿足技術要求，且其表面殘余應力與合格彈簧非常接近，這說明上述因素與彈簧的斷裂無關。

由彈簧斷口的金相檢驗結果及SEM形貌可見，裂紋源1表面有很薄的白亮層，白亮層內分布有許多細小的碳化物碎片，由此推測白亮層內為鐵素體相與碳化物的機械混合物[6]。由于白亮層較薄且存在組織變形，不易被浸蝕，因而白亮層呈現白色且硬而脆。在耐久性測試過程中，白亮層先開裂并在不斷沖擊下完全斷裂，由此推斷白亮層是造成彈簧在測試過程中發生斷裂的直接原因。

從白亮層出現的位置來看，其位于彈簧線徑內表面裂紋源處，在其他區域未發現白亮層；對另一根斷裂彈簧進行理化檢驗發現，其斷口形貌、裂紋源位置均與本次進行理化檢驗的斷裂彈簧的相似，且在裂紋源處也存在白亮層，兩個斷裂彈簧白亮層出現的位置相似，由此判斷彈簧原始線材存在白亮層的可能性較小。對彈簧成型工藝和過程進行排查后發現，導致彈簧產生白亮層的工序只有冷卷工序，且上述斷裂彈簧均為調試件，推測彈簧在調試過程中由于卷制工藝控制不穩定，彈簧鋼絲與工裝刀具接觸過緊導致兩者發生劇烈摩擦后生熱，引起彈簧組織變形從而形成白亮層。

3 結論及建議

彈簧鋼絲在冷卷工序中與刀具接觸過緊，兩者劇烈摩擦后生熱，引起彈簧組織變形而形成硬而脆的白亮層，在測試過程中，白亮層先產生裂紋，在沖擊載荷的不斷作用下，最終導致彈簧斷裂。

建議生產企業在彈簧調試階段避免彈簧鋼絲冷卷時與刀具接觸過緊，注意零件的表面質量，規范首末件現場操作，加強監管和現場質量檢查。