SUP9A汽车钢板弹簧疲劳断裂失效分析

2022-11-17张俊花陈廷树康学勤

机械工程师 2022年10期

张俊花，陈廷树，康学勤

（1.江苏联合职业技术学院徐州技师分院，江苏徐州 221151；2.中国矿业大学材料与物理学院，江苏徐州 221008）

0 引言

钢板弹簧是汽车悬架中的一种弹性元件，它是由若干片等宽、不等长和不等曲率的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁[1]。钢板弹簧是汽车悬架系统的关键构件，其将车轮的力和转矩传递给车架，对车架起导向、缓冲、减震和支撑等作用[2-4]。使用过程中钢板弹簧的主要失效模式有弯曲疲劳[2，5]、腐蚀疲劳[1，6-7]、氢致脆断[8-9]和过载断裂。正常工作状态下，钢板弹簧的上表面承受拉应力，裂纹多起源于此表面的缺陷或应力集中处，例如热处理或制造过程中出现的淬火裂纹、锻造折叠、喷丸凹坑，以及在使用过程中出现的点蚀坑等。

SUP9A是日本标准中的一个弹簧钢牌号，对应于我国标准中的55CrMnA，该型号弹簧钢克服了Si-Mn钢的缺点，可防止钢的过热和脱碳，具有良好的工艺性能和综合力学性能[11]，主要用于工程车辆中负荷较重、应力较大的钢板弹簧和直径较大的螺旋弹簧[10]。

某厂生产的SUP9A钢板弹簧按照GB/T 19844-2018在加载频率为1 Hz的台架疲劳试验中，循环到1.25 万次时发生断裂失效，远低于标准要求的10 万次。该钢板弹簧加工工艺为：下料→校直→钻孔→卷耳→淬火→中温回火→喷丸→装配→预压缩。钢板弹簧热处理工艺为：天然气加热炉加热弹簧扁钢至860 ℃，保温45～60 min，油淬，淬火摇摆时间为50 s；回火温度为450℃，回火时间为100～120 min，水冷。为分析该钢板弹簧断裂原因，验证同批次弹簧安全性，寻找断裂失效的预防措施，对断裂钢板弹簧取样并进行失效分析。

1 理化检验

1.1 断口宏观分析

图1（a）为该厂提供的断裂钢板弹簧形貌图，断裂位置距离钢板弹簧中心35 mm处，从图中可以看到钢板弹簧表面布满喷丸留下的凹坑。图1（b）为钢板弹簧的断口形貌图，从图中可以看出，断口与钢板弹簧长度方向垂直，无明显塑性变形，为宏观脆性开裂，断口表面较粗糙，在B区域可以观察到明显的撕裂棱，根据撕裂棱的方向可知A区域为裂纹源区，钢板弹簧断裂起源于表面[7，12]，其余区域（C区）为最终断裂区。

图1 断裂钢板弹簧宏观形貌图

1.2 断口微观分析

用扫描电镜观察钢板弹簧断口中的裂纹源区和扩展区的微观形貌，图2为裂纹源区的扫描电镜图（SEM），从图中可以看出该区域为解理断裂，属于微观脆性断裂，在裂纹源区可以观察到二次裂纹。图3为裂纹扩展区SEM图，从图中可以确定为准解理断裂，可以观察到疲劳辉纹，说明扩展区是在力的循环作用下形成的。

图2 裂纹源区SEM图

图3 裂纹扩展区SEM图

1.3 钢板弹簧磁粉探伤测试

将钢板弹簧放到UniMT-12000A/D荧光磁粉探伤机中进行复合磁化，轴向电流为3500 A，纵向电流为2000 A，磁化2次，磁化时间为1 s。图4为钢板弹簧表面磁粉探伤形貌图，从图中可以看到钢板弹簧表面存在多条磁痕，钢板弹簧断口的裂纹源区域A和B处有明显的裂纹存在，说明钢板弹簧在台架试验前表面已有裂纹存在，需要进一步分析裂纹产生的原因。

1.4 裂纹微观形貌分析

在图4的裂纹中部用线切割取样，用OLYMPUS GX53光学显微镜对裂纹形貌和裂纹处的显微组织进行检测。图5为裂纹靠近钢板弹簧表面和尖端的形貌图，从图中可以看出裂纹在试样表面的宽度比内部要大，说明试样从表面开裂，向材料内部扩展。从图中还可以看出，裂纹尖端较尖锐，但是裂纹的扩展不是沿直线进行。图6为热处理后裂纹靠近钢板弹簧表面和尖端处的显微组织图，从图中可以看出裂纹两侧及尖端未出现脱碳及氧化现象，说明裂纹是在淬火过程中或者淬火后产生的。

图4 钢板弹簧磁粉探伤形貌图

图5 裂纹形貌图

图6 裂纹显微组织图

1.5 化学成分分析

从断裂钢板弹簧中取样，用Bruker Q4直读光谱仪测定其化学成分，测试结果如表1所示，可以看出该钢板弹簧成分满足标准GB/T 1222-2016《弹簧钢》中55CrMnA（SUP9A）钢的要求。

表1 55CrMnA钢板弹簧化学成分质量分数测试结果 %

1.6 拉伸性能和硬度测试

在钢板弹簧中心沿长度方向取圆柱形拉伸试样，采用电子万能试验机UTM5305测试其拉伸性能，测试结果如表2所示。由表2可以看出，该钢板弹簧屈服强度、抗拉强度和断面收缩率满足标准GB/T 1222-2016要求，延伸率稍低于该标准要求。采用HR-150A洛氏硬度计测量钢板弹簧硬度，在表面和心部各取3个点，表面硬度平均值为48.2 HRC（49.0、47.5、48.1 HRC），心部硬度平均值为47.6 HRC（48.5、47.3、47.0 HRC）。表面和心部硬度较均匀，均满足技术要求的46～50 HRC。

表2 钢板弹簧拉伸性能测试结果

1.7 显微组织分析

从断裂钢板弹簧上取样并进行夹杂物和显微组织观察，图7（a）为钢板弹簧材料夹杂物形貌图，该材料非金属夹杂物A类评为0.5级（细系）、B类评为0级、C类评为0级、D类评为0.5级（细系），其非金属夹杂物等级符合GB/T 1222-2016《弹簧钢》的要求。图7（b）为钢板弹簧材料用4%硝酸酒精溶液腐蚀后的显微组织图，从图中可以看出该钢板弹簧显微组织为淬火和中温回火后的回火屈氏体。

图7 钢板弹簧夹杂物和显微组织

从钢板弹簧原材料上取样并进行显微组织观察。图8为原材料低倍和高倍显微组织图，从图中可以看出其显微组织为珠光体+铁素体，铁素体呈网状分布，晶粒度为4级。

图8 钢板弹簧原材料显微组织

2 分析与讨论

成分测试表明钢板弹簧材料满足SUP9A（55CrMnA）钢的要求，力学性能测试表明热处理钢板弹簧材料硬度、屈服强度、抗拉强度和断面收缩率符合标准要求，延伸率稍低于标准值。钢板弹簧原材料晶粒度约为4级，显微组织为珠光体+铁素体，铁素体呈网状。热处理加热过程中珠光体首先转变为奥氏体，然后铁素体才开始转化成奥氏体，在860 ℃下保温后全部转变为奥氏体，转化后的奥氏体含碳量并不均匀，原因是网状铁素体的区域含碳量较低，珠光体的区域含碳量较高。淬火冷却过程中，由于奥氏体成分和冷却速度的不均匀性，其转化时间也不同，内部产生较大的淬火应力。原材料晶粒粗大，一方面增加了淬火冷却过程中产生的残余应力，另一方面降低了材料的强度[13-14]。当热处理残余应力超过材料本身的强度时，在材料表面产生裂纹[15]，磁粉测试时钢板弹簧表面出现磁痕。裂纹出现后向材料内部扩展，由于网状铁素体处含碳量较低，热处理后材料强度较低，裂纹沿网状铁素体扩展，形成图5中的裂纹及裂纹尖端形貌。

淬火中形成的裂纹成为钢板弹簧台架疲劳试验中断裂的源头，淬火裂纹经多次循环后形成裂纹源，裂纹源在循环应力作用下扩展形成扩展区，当剩余截面不足以承受循环应力时，钢板弹簧出现过载断裂，形成瞬断区。虽然喷丸过程中在弹簧表面形成的残余压应力在一定程度上延缓了疲劳裂纹的萌生和扩展，但是钢板弹簧表面热处理裂纹的产生加速了疲劳裂纹的萌生和扩展。原材料中存在网状铁素体，热处理后虽然网状铁素体消失，但是原来是铁素体的区域，转化成回火屈氏体，其碳元素含量与周围相比仍然较低，与周边材料的性能也存在差异。这就导致材料延伸率低于标准要求，弹簧钢板韧性较低，裂纹尖端产生严重的应力集中，加速了裂纹的扩展。

原材料中存在网状铁素体和晶粒粗大使钢板弹簧在淬火过程中或淬火后未及时回火出现开裂，该裂纹严重降低了钢板弹簧的疲劳寿命，使其在台架疲劳试验中循环到1.25 万次时出现开裂。对同批次钢板弹簧材料进行正火处理，细化材料组织，消除网状铁素体。热处理后进行磁粉探伤处理，在钢板弹簧表面未发现磁痕（裂纹）。再对钢板弹簧进行台架疲劳试验，循环10 万次后，钢板弹簧未出现开裂，对弹簧表面再进行磁粉探伤时，也未出现磁痕（裂纹）。