重型汽车钢板弹簧早期断裂原因

2020-08-21蒋松蔚马鸣图王建斌2煜3金学军3张均萍

机械工程材料 2020年8期

蒋松蔚，马鸣图，王建斌2，冯毅，龚煜3，金学军3，张均萍，周佳

(1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.山东北汽海华汽车部件股份有限公司，淄博 255202；3.上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240)

0 引言

51CrMnV弹簧钢是一种常用的弹簧材料，多用于制造螺旋弹簧和钢板弹簧(简称板簧)。某厂所制板簧用51CrMnVA弹簧扁钢的截面尺寸为22 mm×90 mm，其生产工艺为下料→锻制(冲中心孔和卷耳)→热处理(连续炉加热到880 ℃保温33 min，在摇摆式成形淬火机上油淬，再在450 ℃保温6070 min回火，出炉后水冷)→喷丸处理→装配→预压→装车使用。该弹簧扁钢预压后在冬季室温放置，装车时发现第一片板簧片在中心孔位置沿长度方向50 mm处发生断裂，为查明该板簧断裂原因，作者对其进行了一系列理化检验和分析。

1 理化检验及结果

1.1 断口形貌

由图1可以看出，板簧片断口齐平，为典型的脆性断口，断口表面存在点状锈蚀，这是由于其断裂后已存放一定时间，与空气有所接触。

由图2可以看出：板簧片断口裂纹源区为起伏较大的准解理形貌；裂纹扩展区呈冰糖状，放大后在一些解理平台上可观察到类舌状或斑块状花样，说明材料脆性很高；瞬断区亦存在解理平台，撕裂棱占比较高。

图1 板簧总成示意和断口宏观形貌Fig.1 Schematic of leaf spring assembly (a) and fracture macromorphology (b)

图2 板簧断口微观形貌Fig.2 Microscopic morphology of leaf spring fracture: (a) crack source zone; (b) crack propagation zone, at low macro magnification;(c) crack propagation zone, at high magnification and (d) final fracture zone

图3 对比板簧试样断口宏观形貌Fig.3 Macroscopic morphology of fracture of leaf springspecimen for comparison

选择正常使用约半年后断裂的51CrMnVA板簧试样进行对比分析。该试样热处理回火温度为470 ℃。由图3和图4可知，对比试样断口为典型疲劳断口，由疲劳裂纹扩展形成的疲劳条纹清晰可见，断口起伏较大，撕裂棱较多，撕裂棱中有明显韧窝，部分区域存在解理平台，平台上可观察到类同于轮胎花样的疲劳条纹和二次裂纹。

1.2 化学成分

从脆断板簧片上取样，使用QSN750型光电直读光谱仪进行化学成分分析。由表1可以看出，断裂板簧片的成分满足GB/T 1222-2016中对51CrMnV弹簧钢的要求。

已有研究表明，65MnV板簧片在装车时发生典型沿晶断裂，为氢脆所致[1]。为了研究氢含量对板簧片断裂特征的影响，采用自制的TDS(Thermol Desorption System)热吸收光谱仪测定脆断板簧片和对比用疲劳断裂板簧中的可扩散氢含量(质量分数，下同)，结果分别为1.572×10-7，3.816×10-8，前者是后者的4倍。两板簧氢吸收峰值强度与温度之间的关系如图5所示。在300600 ℃下，两板簧的氢吸收峰值强度与其氢陷阱中氢的稳定性有关，也与氢含量有关。

图4 对比板簧试样裂纹扩展区形貌Fig.4 Morphology of crack propagation zone of leaf spring specimen for comparison: (a) at low magnification and (b) at high magnification

表1 脆断板簧的化学成分(质量分数)

图6 脆断及疲劳断裂51CrMnVA板簧的显微组织Fig.6 Microstructures of brittle fractured (a) and fatigue fractured (b) 51CrMnVA leaf springs

图5 脆断及疲劳断裂51CrMnVA板簧的氢吸收强度曲线Fig.5 Hydrogen absorption intensity curves for brittle fracturedand fatigue fractured 51CrMnVA leaf springs

1.3 显微组织

在脆断板簧片及对比用疲劳断裂板簧片断口附近切取金相试样，经研磨、抛光后，用质量分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用JSM-6460LV型扫描电镜(SEM)观察显微组织。由图6可以看出，脆断板簧片的显微组织为回火屈氏体，且该组织中保留有明显的马氏体位向，表明其回火不足；而疲劳断裂板簧片的显微组织介于回火索氏体和回火屈氏体之间，马氏体位向消失。

1.4 力学性能

用线切割机在板簧片上截取拉伸试样和标准U型缺口冲击试样，拉伸试样标距部分的尺寸为φ8 mm×40 mm，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。使用SANS CMT5305型拉伸试验机进行拉伸试验，拉伸速度为1.5 mm·min-1；使用Wolfft 30型数字化摆锤冲击试验机进行冲击试验，试验温度为20 ℃。切取拉伸试样的夹持端作为硬度试样，使用HVS-1000型数显显微维氏硬度计测试表面硬度，载荷为9.8 N，保载时间为10 s。

力学性能测试结果见表2，其中：Rp0.2为屈服强度；Rm为抗拉强度；A为标距为5倍直径试样的伸长率；A11.3为标距为10倍直径试样的伸长率(换算值)；Z为断面收缩率；H为硬度；AKU为冲击功。由表2可以看出，脆断板簧和对比用疲劳断裂板簧的力学性能均满足GB/T 1222-2016对51CrMnV弹簧钢的要求，但前者强度偏高，延性偏低，而对比板簧的强韧性匹配较好，强度适中，延性和韧性较高，且冲击功明显高于脆断板簧的。

1.5 冲击断口形貌

由图7可以看出，脆断板簧冲击断口裂纹源区附近存在大量面积较大的解理平台，断口表面有明显二次裂纹，撕裂处存在少量韧窝，但韧窝区(韧性断裂区)面积较小，这与其脆性高、冲击功低相吻合。由图8可以看出，疲劳断裂板簧冲击断口裂纹源区附近解理平台较小，细小二次裂纹、撕裂和韧窝较多，这与其韧性较好、冲击功较高相吻合。

表2 脆断及疲劳断裂51CrMnVA板簧的力学性能

图7 脆断板簧冲击断口近裂纹源区的SEM形貌Fig.7 SEM morphology near crack source zone on impact fracture of brittle failured leaf spring:(a) at low magnification and (b) at high magnification

图8 疲劳断裂板簧冲击断口近裂纹源区的SEM形貌Fig.8 SEM morphology near crack source zone on impact fracture of fatigue fractured leaf spring:(a) at low magnification and (b) at high magnification

2 断裂原因分析

结合交货质保书要求和理化检验结果可知，该脆断板簧的化学成分、低倍组织均符合标准规定。其强度远高于标准指标和交货质保书中的热处理态强度，但伸长率和冲击功偏低。这可能与追求高强度，提高设计应力等思想有关，为此牺牲了材料的延性和韧性。在这种强度条件下，根据弹簧钢的断裂特性和断口形貌研究结果[2-3]，板簧断裂模式多为准解理断裂，断口撕裂棱较多。然而，该失效板簧片预压后冬天室温放置时就发生了脆性断裂，断口呈冰糖状沿晶脆性断裂特征，瞬断区晶界撕裂部分比一般沿晶断裂的略多，扩展区解理平台上有脆性特征很强的舌状花样。舌状花样是解理断裂的典型特征之一，其形成与解理裂纹沿形变孪晶-基体界面的扩展有关[4]。这种断裂模式常发生在低温，该板簧片正是在春节过后的低温天气下发生了断裂。

VALENTIN等[5]对22MnB5低碳钢进行慢速拉伸试验，得到产生氢脆的可扩散氢含量与抗拉强

度的关系曲线，将抗拉强度降低30%时对应的氢含量作为可扩散氢含量门槛值[6]，该门槛值为6.5×10-7。22MnB5低碳钢组织为板条状马氏体，具有较高的韧性。而脆断51CrMnVA板簧片碳含量较高，淬火组织大部分为孪晶马氏体，其可扩散氢含量接近发生氢脆的门槛值，加之预压变形应变速率较高，环境温度较低，其断口为具有氢脆特征的冰糖状沿晶断口。板簧发生脆断是强度、组织、氢含量、温度、预压变形综合影响的结果。疲劳断裂板簧试样的可扩散氢含量远低于脆断板簧的，且其断后伸长率、冲击功较高，强度适中，韧性较好，具有良好的抗脆性断裂性能和合适的使用寿命。