某重型汽车钢板弹簧断裂原因

2022-11-22李琳琳

理化检验(物理分册) 2022年11期

李琳琳,高帅,慕松

(陕西重型汽车有限公司,西安 710200)

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。

图1 断裂弹簧钢片的宏观形貌

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10～15 mm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]。

图2 断口的宏观形貌

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/T 4336—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。

表1 断裂弹簧的化学成分分析结果 %

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)。

图3 断口的SEM形貌

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0.05～0.15 mm，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)。

图4 断裂弹簧钢片纵向截面疲劳源侧的微观形貌

图5 断裂弹簧基体的显微组织形貌

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10～15 mm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。