汽车悬架弹簧断裂原因分析

2020-02-07

理化检验(物理分册) 2020年1期

(上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，上海 201800)

汽车悬架弹簧作为悬架系统中的关键零件，直接影响到悬架的减震性能、阻尼性能以及行驶的稳定性[1]。SWI-200弹簧钢因具有优良的热处理性能和力学性能，是制造悬架弹簧的常用材料，在汽车及机械领域应用广泛[2-3]。导致悬架弹簧失效的主要因素有弹簧的内部缺陷和表面缺陷。内部缺陷包括组织异常、非金属夹杂物等；表面缺陷包括卷簧过程中的擦伤、烧伤，热成型过程中的橘皮、脱碳现象等[4-5]。SWI-200弹簧钢为高强钢，抗拉强度通常大于2 000 MPa，其内部或表面存在缺陷易导致弹簧断裂失效。

某汽车悬架弹簧材料为SWI-200弹簧钢，弹簧规格为φ13.2 mm，制造工艺为：(淬火+中温回火)盘条→冷卷→去应力回火→喷丸→压缩→质量检查→喷粉→包装。该悬架弹簧在装配后的质量测试过程中发生断裂，为查明弹簧的断裂原因，笔者对其进行了检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观检查

断裂弹簧的宏观形貌如图1所示，可见弹簧断裂于顶端第一圈，这也是弹簧应力较高的部位。弹簧断面未见明显的塑性变形，断口附近有擦伤且局部漆层已剥脱。

图1 断裂弹簧的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured spring

1.2 化学成分分析

采用Bruker型直读光谱仪对断裂弹簧进行化学成分分析，结果见表1。可见断裂弹簧的化学成分满足企业技术文件对SWI-200弹簧钢成分的技术要求。

表1 断裂弹簧的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of fractured spring (mass fraction) %

1.3 断口分析

1.3.1 断口宏观形貌分析

采用VHX-200E型体视显微镜观察断裂弹簧的断口形貌，由图2a)可见，断口由两部分(A，B区)组成，断面有清晰的放射状裂纹。根据裂纹放射状棱线扩展的方向可判断裂纹源有两处，即裂纹源1和裂纹源2，如图2b)所示。裂纹源1位于弹簧表面，裂纹源2与弹簧表面距离为0.9 mm。由于断裂后弹簧表面相互擦伤，裂纹源2的形貌已无法辨别，而裂纹源1的表面漆层完好且未渗透到断裂面，这说明弹簧是在喷粉工艺后发生的断裂。

1.3.2 断口微观形貌分析

采用EVO MA25型扫描电镜(SEM)观察弹簧断口的形貌，由图3a)、图3b)和图3c)可见，断口的裂纹源区和A区均呈沿晶+准解理+二次裂纹形貌特征，且晶面较干净。断口B区呈韧窝+准解理小平面的形貌特征，如图3d)所示。断口A，B区的过渡区呈沿晶+准解理+二次裂纹+韧窝形貌特征，如图3e)所示。由图4可见，弹簧裂纹源1处有很薄的白亮层，且白亮层有沿着变形方向流动的趋势(见图4b))，而基体无此现象(见图4a))，高倍下可观察到白亮层内部分布着许多细小的碳化物[6]碎片(见图4c))。

图2 断裂弹簧断口的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of fractured spring fracture: a) whole; b) crack source location

图3 断裂弹簧断口的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

图4 断裂弹簧裂纹源1处的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

使用上述扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对断口A区沿晶区域进行能谱分析，结果如图5所示，可见晶面上没有腐蚀性元素，除了氧元素外，其他均为弹簧基体材料元素。

图5 断裂弹簧断口A区沿晶区域的EDS结果Fig.5 EDS results of intergranular region of zone A of fractured spring fracture

1.4 金相检验

在裂纹源1处沿纵向取样，试样经镶嵌、打磨、抛光，使用体积分数为3%的硝酸酒精溶液浸蚀后，使用AXIO Imager. A2m型光学显微镜观察。由图6a)可见，断裂弹簧的显微组织为均匀的回火屈氏体。裂纹源1表面的白亮层深度为26.1 μm。高倍下观察到裂纹源1附近表面有微裂纹，微裂纹从白亮层起源，以弯曲的锯齿状由外向内扩展，如图6b)所示。

图6 断裂弹簧裂纹源1处的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of crack source 1 of fractured spring: a) at low magnification; b) at high magnification

1.5 残余应力测试

使用LXRD-CHI Microarea System型残余应力测试仪分别在断裂弹簧和合格弹簧的表面及距离表面0.1，0.3，0.4 mm处进行残余应力测试，结果见表2。由表2可见，断裂弹簧与合格弹簧表面残余应力接近，说明断裂弹簧的残余应力正常。

表2 断裂弹簧和合格弹簧的残余应力测试结果Tab.2 Residual stress test results of fractured spring and qualified spring

1.6 硬度测试

使用RB2000型洛氏硬度计对弹簧的心部进行洛氏硬度测试，测得的心部硬度分别为53.5，54.2，54.6 HRC，均符合企业技术文件中52～56 HRC的技术要求。使用ZWICK ZHVU-AF型维氏硬度计对弹簧裂纹源1的白亮层进行维氏硬度测试，测得裂纹源1的白亮层硬度为720～750 HV0.1。

1.7 耐久性测试

对弹簧进行耐久性测试，在不同冲击载荷的不断作用下，发现弹簧的裂纹源1处的白亮层先开裂并最终完全断裂。

2 分析与讨论

从化学成分分析、显微组织及硬度测试结果来看，断裂弹簧的化学成分、显微组织、硬度均满足技术要求，且其表面残余应力与合格弹簧非常接近，这说明上述因素与弹簧的断裂无关。

由弹簧断口的金相检验结果及SEM形貌可见，裂纹源1表面有很薄的白亮层，白亮层内分布有许多细小的碳化物碎片，由此推测白亮层内为铁素体相与碳化物的机械混合物[6]。由于白亮层较薄且存在组织变形，不易被浸蚀，因而白亮层呈现白色且硬而脆。在耐久性测试过程中，白亮层先开裂并在不断冲击下完全断裂，由此推断白亮层是造成弹簧在测试过程中发生断裂的直接原因。

从白亮层出现的位置来看，其位于弹簧线径内表面裂纹源处，在其他区域未发现白亮层；对另一根断裂弹簧进行理化检验发现，其断口形貌、裂纹源位置均与本次进行理化检验的断裂弹簧的相似，且在裂纹源处也存在白亮层，两个断裂弹簧白亮层出现的位置相似，由此判断弹簧原始线材存在白亮层的可能性较小。对弹簧成型工艺和过程进行排查后发现，导致弹簧产生白亮层的工序只有冷卷工序，且上述断裂弹簧均为调试件，推测弹簧在调试过程中由于卷制工艺控制不稳定，弹簧钢丝与工装刀具接触过紧导致两者发生剧烈摩擦后生热，引起弹簧组织变形从而形成白亮层。