分享：某重型汽车钢板弹簧断裂原因
李琳琳,高 帅,慕 松
(陕西重型汽车有限公司,西安 710200)
摘 要:某重型汽车钢板弹簧在服役期间异常断裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、 扫描电镜及能谱分析等方法,对该弹簧断裂原因进行了分析。结果表明:该弹簧拉应力一侧有较多 的腐蚀凹坑,在弹簧服役时,凹坑处萌生了疲劳裂纹,最终诱发弹簧发生多源疲劳断裂。
关键词:钢板弹簧;疲劳裂纹;腐蚀凹坑;断裂 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0043-03
汽车钢板弹簧是汽车悬架应用最为广泛的一种 弹性元件,具有可靠性好、结构简单、制作工艺流程 短等优点。汽车钢板弹簧由若干片曲率半径不同、 长度不同、宽度相同的弹性钢片叠加而成,在整体上 近似等强度的弹性梁,具有减震和导向作用。某重 型汽车钢板弹簧在服役期间异常断裂,导致车辆无 法正常运行。笔者对该断裂钢板弹簧进行一系列理 化检验和分析,查明其断裂原因并提出改进建议,以 避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂钢板弹簧的材料为50CrVA 钢,主要加工 工序为:下料→校直→钻孔→淬火+中温回火→喷 丸→装配→喷漆→预压缩[1]。断裂弹簧钢片的宏观 形貌如图1所示,可见断裂发生在弹簧钢片长度方向约1/4处,断裂位于钢板弹簧拉应力一侧(装配时 向上),弹簧钢片表面可见明显的挤压、磨损痕迹,磨 损处的弹簧钢片厚度有所减薄,其余各部位有明显 的服役痕迹。
断口的宏观形貌如图2所示,可见断口稍有不 平,断口上覆盖有泥土和黄锈;清洗后可见断口大致 与弹簧纵向垂直,呈典型的疲劳断裂特征,断口上可 见3处直径为10~15mm 的半圆形贝纹线,为疲劳 源及疲劳扩展区,疲劳源位于弹簧拉应力一侧的表 面、宽度方向的中部位置,疲劳源及疲劳扩展区所占 断口面积较小,约占整个断口的20%;其余呈放射 状的区域为瞬断区,所占断口面积较大,疲劳源对侧 表面可见明显的剪切唇,为最后断裂区;断口呈典型 的多源低周高应力疲劳断裂特征[2]。
1.2 化学成分分析
采用直读光谱分析仪对断裂弹簧进行化学成分 分析,结果如表1所示,可见断裂弹簧的化学成分符 合 GB/T4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元 素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》 的要求。
1.3 扫描电镜(SEM)及能谱分析
将断口经酒精超声清洗后,用 SEM 观察,可见 腐蚀产物堆叠,腐蚀凹坑大致呈半圆形,在腐蚀坑底 部可见许多伴生的小腐蚀坑及多条裂纹(见图3)。 对断口表面的腐蚀凹坑及弹簧基体进行能谱分 析,发现腐蚀凹坑处主要含有 O,Al,Si,S,Ca,Fe等 元素,且腐蚀凹坑中的 O,Si等元素含量明显高于 基体。
1.4 金相检验
断裂弹簧钢片纵向截面疲劳源侧的微观形貌如 图4所示。由图4可知:疲劳源侧表面部分有磨损 现象,未磨损处原始表面可观察到轻微的贫碳现象; 表面可观察到较多大致呈半圆形的腐蚀凹坑,凹坑 底部较光滑,深度为0.05~0.15mm,凹坑附近组织 无明显的塑形变形痕迹,与基体组织无异;凹坑底部 有裂纹,裂纹开口处较宽,尾部较尖锐,内部有异物, 扩展方向基本垂直于表面[3]。断裂弹簧基体的组织 为稍粗大回火屈氏体(见图5)
2 综合分析
由上述理化检验结果可知,断裂弹簧的化学成分 符合标准要求,经过淬火+中温回火后,弹簧组织为 正常的稍粗大回火屈氏体,表明热处理工艺正常。 从断口的微观形貌可知:在弹簧拉应力表面有 多处大小不一致且呈半圆形的凹坑,凹坑底部较光 滑,凹坑附近组织无明显的塑形变形痕迹,表明凹坑 为表面腐蚀凹坑,在凹坑的底部可见多条垂直于表 面的裂纹。
从断口的宏观形貌可知:在断裂弹簧拉应力表 面可见3处直径为10~15mm 的半圆形贝纹线,该 处为疲劳源及疲劳扩展区,疲劳源及疲劳扩展区所 占断口面积较小,约占整个断面的20%,其他区域 为瞬断区,表明钢板弹簧在服役过程中所受应力较 大,断口的性质为典型多源低周高应力疲劳断裂[4] ; 弹簧钢片表面有明显的磨损、挤压痕迹,磨损处钢片 厚度有所减薄,说明弹簧钢片之间发生磨损,导致表 面漆膜脱落,新鲜的金属光泽暴露在腐蚀介质中,又 因为弹簧表面吸附了水或泥土,使弹簧表面形成了 许多腐蚀凹坑。当腐蚀凹坑的拉应力超过材料的疲 劳强度,便会在凹坑的底部萌生疲劳裂纹,最终发生 疲劳断裂。
3 结论与建议
钢板弹簧断裂的原因为:弹簧受到泥沙和雨水 的侵蚀和污染,弹簧钢片之间存在严重的摩擦,使弹 簧表面产生腐蚀凹坑,凹坑底部存在疲劳裂纹,随后 在大应力作用下,弹簧发生断裂。 建议钢板弹簧在服役过程中进行定期维护,在 弹簧钢片之间加润滑剂,在服役过程中尽量杜绝超 载现象。同时采用富锌漆作底漆,加喷面漆,以提高 弹簧表面的耐腐蚀性能。
来源：材料与测试网
