汽车钢板弹簧断裂失效分析

唐刚

(比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳 518118)

0 引言

钢板弹簧是汽车悬架的重要组成部分，钢板弹簧在汽车行驶中承受交变应力载荷，其产品质量直接关系到车辆行驶的平顺性及操控稳定性。

某车型采用的钢板弹簧为少片变截面板簧。该钢板弹簧在进行台架疲劳试验时，加载循环次数在(3～6)万次左右时出现不同程度的断裂现象，而未达到相关技术指标(设计寿命要求达8万次以上)。

该钢板弹簧材料为50CrV钢，钢板弹簧经淬火、回火处理后，表面喷丸处理。为了找出该钢板弹簧的断裂原因，对其断裂失效件进行了理化检验与分析。

1 检测过程与结果

1.1 疲劳试验情况介绍

采用的疲劳试验设备为机械式疲劳试验机，按GB/T 19844-2018《钢板弹簧技术条件》标准规定的汽车用钢板弹簧台架试验方法装夹、试验，如图1所示。

1.2 疲劳试验条件

按GB/T 19844-2018《钢板弹簧技术条件》标准6.3.4规定：在应力幅为323.6 MPa、最大应力为833.5 MPa的试验条件下进行垂直负荷下的疲劳试验。

1.3 宏观观察

断裂发生在前钢板弹簧组第三片，后钢板弹簧组第一、二片，如图2中箭头所指位置,断裂位置距离卷耳235～245 mm。断口宏观形貌如图3、图4所示。整个断口表面较平坦，未见明显塑性变形，表面油漆完整。

图2 钢板弹簧断裂位置

图3 钢板弹簧断口宏观形貌1

图4 钢板弹簧断口宏观形貌2

从断裂弹簧的宏观形貌可知，断口具有明显疲劳断裂特征，疲劳源位于受拉应力的一侧，裂纹源处存在多条台阶条纹由表及里扩展，即多源疲劳；说明疲劳源区存在高应力集中现象。断口上未发现明显的疲劳扩展弧线，这主要是因为在实验室疲劳台架试验时一般为短时恒幅加载。前后钢板弹簧的断口形貌非常相似，源区的位置几乎相同，说明表面断裂是由相同条件引起的。

1.4 扫描电镜分析

使用超声波+丙酮清洗断口后置于扫描电镜下对断口形貌作进一步观察，低倍下可观察到钢板弹簧表面的凹坑，凹坑处有多条放射状台阶条纹，如图5和图6所示。

图5 钢板弹簧微观断口形貌(一)

图6 钢板弹簧微观断口形貌(二)

1.5 硬度检测

使用洛氏硬度计测量断裂钢板弹簧硬度，硬度为44.0～44.5HRC，符合GB/T 19844-2018《钢板弹簧技术条件》中6.4.1条规定的簧片硬度在41～48HRC的要求。

1.6 化学成分分析

对断裂钢板弹簧的化学成分进行检测，结果见表1。说明送检钢板弹簧的化学成分符合GB/T 1222-2016《弹簧钢》标准对50CrV钢的要求。

表1 化学成分分析结果(质量分数) %

1.7 金相分析

在疲劳源处取金相试样，置于光学显微镜下观察，如图7所示。非金属夹杂物A类评为1.5级(细系)、B类评为0.5级、C类评为0.5级、D类评为1.0级(粗系)。其非金属夹杂物等级符合GB/T 1222-2016《弹簧钢》的要求。

图7 非金属夹杂物(100×)

使用4%硝酸酒精侵蚀后观察，断裂钢板弹簧基体组织为均匀回火屈氏体，如图8所示。依据QC/T 528-1999《汽车钢板弹簧 金相检验标准》对组织进行评级，其金相组织等级为4级，满足标准要求的金相组织1～5级的合格要求。表面存在轻微半脱碳现象，其总脱碳层深度约0.24 mm，符合有关技术要求，如图9所示。

图8 断裂钢板弹簧基体组织(500×)

图9 断裂钢板弹簧表面组织(200×)

在裂纹源附近的表面有多条微裂纹，这些微裂纹主要起始于表面凹坑底部，如图10所示；凹坑形态属喷丸引起的，经测量凹坑深0.28～0.38 mm。

图10 钢板弹簧断口附近微裂纹(100×)

在凹坑尖角位置的显微组织有明显变形现象，并有轻微的脱碳。

2 分析与讨论

由断口分析可知, 钢板弹簧属典型疲劳断裂。在裂源处有多条台阶条纹，表明弹簧表面存在应力集中现象。对钢板弹簧表面进行扫描电镜观察和金相检测结果表明,弹簧表面存在较多的凹坑；这些凹坑存在就有可能产生应力集中而形成疲劳源区。同时金相检测结果也表明疲劳裂纹起始于凹坑底部, 并检测到在凹坑处有微裂纹存在。

金属疲劳裂纹的形成主要是由于在交变载荷应力作用下(通常为拉应力),在金属表面产生不均匀的滑移,因此疲劳裂纹常产生在构件的表面, 所以构件的表面质量对疲劳强度影响非常很大。所以表面损伤如刀痕、凹坑、缺口等,这些缺陷处易产生应力集中,使构件疲劳强度大幅下降。

钢板弹簧在最终成型之前通常采用喷丸方法来提高构件抗疲劳强度,其作用不仅使表面产生残余压应力,而且还可以消除表面缺陷,降低缺口应力集中系数。但当喷丸条件不合理时, 如喷丸过度或在较高的喷丸压力下就可能造成表面损伤,降低构件的抗疲劳性能。

3 结论

(1)现场复核钢板弹簧安装方式和加载方法，均符合相关技术要求和规范。

(2)汽车钢板弹簧断裂属于早期疲劳断裂失效。引起疲劳失效的主要原因是由于喷丸工艺控制不当, 使弹簧表面留下的凹坑过大和过深, 且呈尖角形态, 凹坑的底部成为应力集中区而形成疲劳源。

(3)严格控制喷丸工艺, 对弹丸的来料进行筛选，避免不规则的弹丸对弹簧表面产生损伤，同时也要控制弹丸运动速度。

(4)为了保证钢板弹簧的使用寿命，建议增加侧面喷丸，可避免从圆角处产生裂纹源，提高产品使用寿命。

(5)根据以上分析结论，严格控制喷丸工艺，对弹丸的来料进行筛选，使钢板弹簧的疲劳得到明显提高，在进行疲劳台架验证时均满足相关技术要求。