某重型汽車鋼板彈簧斷裂原因

李琳琳,高 帥,慕 松

(陜西重型汽車有限公司,西安 710200)

汽車鋼板彈簧是汽車懸架應(yīng)用最為廣泛的一種彈性元件，具有可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)。汽車鋼板彈簧由若干片曲率半徑不同、長(zhǎng)度不同、寬度相同的彈性鋼片疊加而成，在整體上近似等強(qiáng)度的彈性梁，具有減震和導(dǎo)向作用。某重型汽車鋼板彈簧在服役期間異常斷裂，導(dǎo)致車輛無法正常運(yùn)行。筆者對(duì)該斷裂鋼板彈簧進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)和分析，查明其斷裂原因并提出改進(jìn)建議，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂鋼板彈簧的材料為50CrVA鋼，主要加工工序?yàn)椋合铝稀Ｖ薄@孔→淬火+中溫回火→噴丸→裝配→噴漆→預(yù)壓縮[1]。斷裂彈簧鋼片的宏觀形貌如圖1所示，可見斷裂發(fā)生在彈簧鋼片長(zhǎng)度方向約1/4處，斷裂位于鋼板彈簧拉應(yīng)力一側(cè)(裝配時(shí)向上)，彈簧鋼片表面可見明顯的擠壓、磨損痕跡，磨損處的彈簧鋼片厚度有所減薄，其余各部位有明顯的服役痕跡。

圖1 斷裂彈簧鋼片的宏觀形貌

斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見斷口稍有不平，斷口上覆蓋有泥土和黃銹；清洗后可見斷口大致與彈簧縱向垂直，呈典型的疲勞斷裂特征，斷口上可見3處直徑為10～15 mm的半圓形貝紋線，為疲勞源及疲勞擴(kuò)展區(qū)，疲勞源位于彈簧拉應(yīng)力一側(cè)的表面、寬度方向的中部位置，疲勞源及疲勞擴(kuò)展區(qū)所占斷口面積較小，約占整個(gè)斷口的20%；其余呈放射狀的區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，所占斷口面積較大，疲勞源對(duì)側(cè)表面可見明顯的剪切唇，為最后斷裂區(qū)；斷口呈典型的多源低周高應(yīng)力疲勞斷裂特征[2]。

圖2 斷口的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜分析儀對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見斷裂彈簧的化學(xué)成分符合GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》的要求。

表1 斷裂彈簧的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將斷口經(jīng)酒精超聲清洗后，用SEM觀察，可見腐蝕產(chǎn)物堆疊，腐蝕凹坑大致呈半圓形，在腐蝕坑底部可見許多伴生的小腐蝕坑及多條裂紋(見圖3)。

圖3 斷口的SEM形貌

對(duì)斷口表面的腐蝕凹坑及彈簧基體進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕凹坑處主要含有O，Al，Si，S，Ca，F(xiàn)e等元素，且腐蝕凹坑中的O，Si等元素含量明顯高于基體。

1.4 金相檢驗(yàn)

斷裂彈簧鋼片縱向截面疲勞源側(cè)的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：疲勞源側(cè)表面部分有磨損現(xiàn)象，未磨損處原始表面可觀察到輕微的貧碳現(xiàn)象；表面可觀察到較多大致呈半圓形的腐蝕凹坑，凹坑底部較光滑，深度為0.05～0.15 mm，凹坑附近組織無明顯的塑形變形痕跡，與基體組織無異；凹坑底部有裂紋，裂紋開口處較寬，尾部較尖銳，內(nèi)部有異物，擴(kuò)展方向基本垂直于表面[3]。斷裂彈簧基體的組織為稍粗大回火屈氏體(見圖5)。

圖4 斷裂彈簧鋼片縱向截面疲勞源側(cè)的微觀形貌

圖5 斷裂彈簧基體的顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂彈簧的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過淬火+中溫回火后，彈簧組織為正常的稍粗大回火屈氏體，表明熱處理工藝正常。

從斷口的微觀形貌可知：在彈簧拉應(yīng)力表面有多處大小不一致且呈半圓形的凹坑，凹坑底部較光滑，凹坑附近組織無明顯的塑形變形痕跡，表明凹坑為表面腐蝕凹坑，在凹坑的底部可見多條垂直于表面的裂紋。

從斷口的宏觀形貌可知：在斷裂彈簧拉應(yīng)力表面可見3處直徑為10～15 mm的半圓形貝紋線，該處為疲勞源及疲勞擴(kuò)展區(qū)，疲勞源及疲勞擴(kuò)展區(qū)所占斷口面積較小，約占整個(gè)斷面的20%，其他區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，表明鋼板彈簧在服役過程中所受應(yīng)力較大，斷口的性質(zhì)為典型多源低周高應(yīng)力疲勞斷裂[4]；彈簧鋼片表面有明顯的磨損、擠壓痕跡，磨損處鋼片厚度有所減薄，說明彈簧鋼片之間發(fā)生磨損，導(dǎo)致表面漆膜脫落，新鮮的金屬光澤暴露在腐蝕介質(zhì)中，又因?yàn)閺椈杀砻嫖搅怂蚰嗤?，使彈簧表面形成了許多腐蝕凹坑。當(dāng)腐蝕凹坑的拉應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度，便會(huì)在凹坑的底部萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)論與建議

鋼板彈簧斷裂的原因?yàn)椋簭椈墒艿侥嗌澈陀晁那治g和污染，彈簧鋼片之間存在嚴(yán)重的摩擦，使彈簧表面產(chǎn)生腐蝕凹坑，凹坑底部存在疲勞裂紋，隨后在大應(yīng)力作用下，彈簧發(fā)生斷裂。

建議鋼板彈簧在服役過程中進(jìn)行定期維護(hù)，在彈簧鋼片之間加潤(rùn)滑劑，在服役過程中盡量杜絕超載現(xiàn)象。同時(shí)采用富鋅漆作底漆，加噴面漆，以提高彈簧表面的耐腐蝕性能。