汽車前螺旋彈簧斷裂分析

曾云玲，褚明志

廣汽乘用車有限公司 廣東廣州 511434

1 序言

螺旋彈簧是廣泛適用于獨立型懸架系統的一種彈性元件類型，在行駛過程中承受高頻率往復壓縮運動，起著緩沖和減振作用，以提高駕駛過程中舒適性和安全性。螺旋彈簧質量對車輛平穩性、安全性起著至關重要的作用。螺旋彈簧常見的失效模式有脆性斷裂、疲勞斷裂、腐蝕疲勞、應力腐蝕疲勞、氫脆等[1-4]。

某車型右前螺旋彈簧在行駛約10萬km后發生斷裂。斷裂彈簧采用55SiCr6鋼，熱處理工藝為淬火＋回火，組織要求為回火屈氏體，硬度要求47～56HRC，脫碳層深度不超過直徑（φ12.9mm）的1%。

2 試驗過程與結果

2.1 斷口宏觀觀察

圖1 故障件整體結構

故障件整體結構如圖1所示。 斷裂發生在彈簧端圈0.75圈位置，即底座與彈簧分離處，如圖2所示（紅色箭頭指向位置）。裂紋源位于與彈簧縱向垂直的彈簧側表面，該位置涂層磨損脫落，表面生銹，疑似受到沖擊引起表面涂層脫落，如圖3所示。其他位置未見異常損傷。彈簧斷口無明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，如圖4所示。

圖2 安裝

圖3 表面銹蝕區域

圖4 斷口形貌

2.2 斷口微觀觀察

圖5 斷裂源區龜裂狀泥紋花樣

從斷口微觀可以看出，斷裂源區呈龜裂狀泥紋花樣特征（見圖5），存在較多腐蝕產物和腐蝕凹坑（見圖6）。擴展區域是大量的小晶面和解理臺階組成的解理形貌（見圖7）。對斷口源區進行能譜成分分析，結果表明，除基體元素外，裂紋源附近氧含量非常高，還含有一定量的Cl元素（見圖8）。

圖6 斷裂源區腐蝕凹坑

圖7 擴展區解理形貌

圖8 斷口源區能譜分析結果

2.3 材質測試

采用GB/T 4336—2002 《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》進行材質測試，結果滿足供應商提供的材料協議。

2.4 硬度檢測

在故障彈簧截面取樣進行硬度檢測，采用GB/T 230.1—2009 《金屬材料洛氏硬度測試方法》對試樣硬度進行檢測，試樣硬度為52.5～53.5HRC，滿足工藝要求的47～56HRC。

2.5 金相分析

垂直于斷口表面，沿裂紋源區橫向截取試樣進行金相分析，裂紋源一側表面發現大量腐蝕凹坑（見圖9），尺寸較大的寬度約0.145mm、深度約0.102mm。在對側未見到腐蝕特征。彈簧金相組織為均勻細小的回火屈氏體（見圖10），表面無明顯脫碳現象，符合技術要求。

圖9 表面腐蝕凹坑

圖10 回火屈氏體組織

3 分析與討論

通過對試樣的宏觀觀察和微觀分析所揭示的各種形態特征及腐蝕產物能譜分析結果可以看出：斷口附近及表面均未見明顯塑性變形及機械損傷的痕跡；斷口呈解理斷裂特征，斷口表面有腐蝕凹坑、二次裂紋及腐蝕溝槽，腐蝕凹坑內的腐蝕產物有應力腐蝕的泥紋花樣特征；斷裂源區附近氧含量很高，且存在一定的腐蝕性介質氯（Cl）。

彈簧通常用剛性材料制成，由于其獨特的結構和受力特點，因此各類缺陷、應力及腐蝕影響甚為敏感[3，5]。汽車底盤使用環境較為惡劣，彈簧底座與彈簧分離的位置易儲存水汽，當有硬物進入時，彈簧在往復運動過程中涂層逐漸被磨損，鋼基體暴露。在腐蝕環境下（撒了融雪劑的冬天、礦山及沿海地區等），鋼基體失去涂層的保護，表面形成腐蝕凹坑，裂紋萌生并向心部擴展，最后瞬間斷裂。

綜上分析，該車輛在行駛過程中，彈簧底座進入了碎石等較硬物質，彈簧斷裂處反復與底座碎石擠壓，碎石沖擊造成彈簧表面涂層被破壞，基體在暴露環境下逐漸腐蝕。在持續的腐蝕和沖擊下，腐蝕坑逐漸擴大，應力集中效應明顯，裂紋形成并迅速擴展，從而導致彈簧失效斷裂。

4 結論與建議

1）彈簧的斷裂性質為應力腐蝕開裂。彈簧受機械損傷致使表面涂層剝落，造成腐蝕源。氯離子等腐蝕介質和高頻率的工作環境促使拉伸應力逐漸增加，為應力腐蝕開裂提供了條件。

2）建議優化底座結構或對彈簧根部加裝防護套，避免涂層因受到異物擠壓而提前破壞，引起早期失效。

3）優化涂裝工藝，可采用雙涂工藝增加涂層厚度和硬度。