汽車彈簧斷裂分析

侯學勤，吳 蒙，羅學泉

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095 3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;4.江鈴汽車股份有限公司，南昌 330001)

0 引言

彈簧利用材料的彈性和其本身的結構特點，在產(chǎn)生及恢復變形時把機械功或動能轉變?yōu)樾巫兡?或者把形變能轉變?yōu)閯幽芑驒C械功)，具有緩沖平衡、減震、機械儲能、控制運動、定位等功能，是重要的機械基礎件，廣泛應用于機械儀表、電器、交通運輸、航空航天等領域［1-3］。彈簧的生產(chǎn)工藝過程復雜，包括繞制、熱處理、表面處理等多個工藝過程，且常常在變動的載荷下工作，因此，彈簧服役過程中常由于各種原因提前失效而引起設備故障。彈簧的失效模式主要有斷裂失效及彈力失效(如松弛或變形等)，其中斷裂失效最常見，危害性最大。斷裂失效又分為脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、腐蝕疲勞、應力腐蝕斷裂以及氫脆等，其中疲勞斷裂所占的比例最大。彈簧失效的原因主要有材料原始缺陷，制造工藝缺陷和服役環(huán)境，而制造工藝缺陷引起的彈簧失效在彈簧失效中占有較大比重［4-5］。由于在后續(xù)檢驗過程中出現(xiàn)異常導致彈簧表面燒傷的案例很少，本研究即對一起由于磁粉探傷機故障引起彈簧表面燒傷，進而導致彈簧試驗過程中斷裂的故障進行分析。

汽車用彈簧(后簧)在試驗過程中發(fā)生斷裂，試驗是在搭建的一個完整后懸掛系統(tǒng)上進行，在輪心上加載。彈簧上極限高度到接近空載彈簧高度運行10 萬次，而后，彈簧80%上極限到空載彈簧高度運行4 000 次，此時，彈簧發(fā)生斷裂。

彈簧材料牌號為SRS60MS，熱處理工藝為淬火、回火，金相組織要求為回火屈氏體，不允許有馬氏體，硬度要求為HRC 51～56，脫碳層深度不大于1%;在噴丸之前，對彈簧采用磁粉探傷機進行檢驗。

本研究對故障彈簧進行外觀檢查、斷口宏微觀觀察、能譜分析、金相組織和顯微硬度檢測，進行化學成分分析，在試驗的基礎上確定彈簧的斷裂性質(zhì)，分析斷裂原因，并提出相應的改進措施。

1 試驗過程與結果

1.1 宏微觀觀察

彈簧外觀及斷裂位置見圖1，斷裂發(fā)生在一側收口位置，源區(qū)位于與彈簧縱向垂直的彈簧側表面，附近及與斷口相對側表面存在劃痕，其他位置未見異常損傷。

彈簧斷口無明顯宏觀塑性變形，高差較大，呈疲勞斷裂特征，點源，源區(qū)位于表面顆粒狀物區(qū)域(斷口源區(qū)大小約為0.15 mm ×0.13 mm)，擴展區(qū)呈平坦斷面，瞬斷區(qū)起伏較大、放射棱線明顯;斷口邊緣局部有磨損(圖2a)。彈簧表面退漆后，顆粒物的形貌見圖2b。

圖1 彈簧外觀及斷裂位置Fig.1 Appearance and fracture position of the failed spring

圖2 彈簧斷口及顆粒物體視顯微鏡形貌Fig.2 Microscopy morphology of the failed spring fracture surface and side view of the particle

彈簧斷口SEM 形貌見圖3，源區(qū)位于表面顆粒狀物區(qū)域，顆粒物與彈簧基體界面明顯，向外的放射棱線明顯，未見機械損傷;斷口擴展區(qū)較平坦，可見細小的疲勞條帶;瞬斷區(qū)呈韌窩形貌。

圖3 彈簧斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphology of the failed spring

1.2 能譜分析

在掃描電子顯微鏡下采用能譜儀對故障彈簧斷口源區(qū)及附近擴展區(qū)進行能譜分析，能譜分析位置及結果見圖4 和表1，可知與彈簧基體材料成分相比，顆粒狀物中Cr、Cu 元素的含量較高。

1.3 金相檢查

在故障彈簧斷口源區(qū)下方的完好區(qū)分別制取橫截面和縱截面金相試樣，腐蝕后進行組織觀察。故障彈簧橫截面和縱截面組織分別見圖5、圖6，組織為回火屈氏體，未見明顯的脫碳現(xiàn)象。

垂直于故障彈簧斷口表面，沿源區(qū)切割斷口，制取斷口源區(qū)的截面金相試樣。彈簧斷口源區(qū)的截面組織見圖7，可見源區(qū)附近組織與彈簧基體組織差異明顯，呈不完整的半橢圓形、分層并可見孔洞特征、主要為馬氏體。上述特征表明，故障彈簧源區(qū)表面發(fā)生了(熔融)燒傷。

1.4 硬度檢測

在故障彈簧橫截面上制取硬度試樣，進行顯微硬度檢測并根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算為洛氏硬度，結果見表2，可知故障彈簧心部和邊緣的硬度分別約為HRC 54 和HRC 53，而彈簧材料硬度的技術要求為HRC 51～56;所以，故障彈簧的硬度均滿足技術要求。

圖4 能譜分析位置Fig.4 Position of energy spectrum analysis

表1 能譜分析結果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 EDS analysis results (mass fraction/%)

圖5 故障彈簧橫截面組織Fig.5 Cross section microstructure of the failed spring

圖6 故障彈簧縱截面組織Fig.6 Longitudinal section microstructure of the failed spring

圖7 故障彈簧源區(qū)截面金相組織Fig.7 Crakc source microstructure of the failed spring

表2 故障彈簧顯微硬度Table 2 Hardness testing results of the failed spring

對故障彈簧燒傷區(qū)(根據(jù)組織形貌，將彈簧燒傷區(qū)分為2 層)、彈簧基體進行顯微硬度測試，測試位置見圖8，測試結果見表3，可知彈簧燒傷區(qū)各層的硬度均高出基體較多。

1.5 化學成分分析

在故障彈簧上制取化學試末，采用化學分析法進行成分分析，結果見表4，可知彈簧各成分的含量均在技術要求的范圍之內(nèi)。

2 分析與討論

2.1 失效性質(zhì)判斷

圖8 故障彈簧燒傷區(qū)截面硬度測試位置Fig.8 Hardness test position in the burned zone of the failure spring

表3 故障彈簧燒傷區(qū)顯微硬度結果Table 3 Hardness testing results of the burned areas HV0.2

表4 故障彈簧化學成分分析結果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 4 Chemical compositions of the failed spring (mass fraction/%)

彈簧斷口宏觀變形不明顯，由源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，微觀可見疲勞條帶。所以，彈簧的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2.2 失效原因分析

彈簧的組織和硬度均符合技術要求，化學成分在技術要求的范圍之內(nèi)，源區(qū)未見夾雜等冶金缺陷，這表明彈簧斷裂與材質(zhì)無關。彈簧源區(qū)未見機械損傷及腐蝕性元素，可以排除使用過程中受到損傷和腐蝕引起斷裂的可能。

彈簧斷裂起源于表面顆粒狀物區(qū)域。顆粒物成分與彈簧基體材料成分相近，僅Cr、Cu 元素的含量較高(可能由局部重熔引起)。彈簧基體組織為回火屈氏體，彈簧表面顆粒狀物(源區(qū))及附近截面金相呈不完整的半橢圓形、分層并可見孔洞特征、主要為馬氏體，二者差異明顯。且半橢圓形各層區(qū)的硬度均比彈簧基體的高。上述特征表明，故障彈簧源區(qū)表面發(fā)生了(熔融)燒傷，形成了淬硬層。

表面燒傷區(qū)對彈簧的疲勞破壞具有以下影響［6-7］:1)破壞表面完整性、增大應力集中。表面燒傷區(qū)破壞了彈簧的表面完整性，使得彈簧表面應力集中程度增大，而彈簧本身強度高、硬度大，疲勞性能對表面狀態(tài)敏感;因此，彈簧表面燒傷區(qū)降低了彈簧的疲勞壽命;2)燒傷區(qū)組織性能下降。表面燒傷區(qū)表金屬熔化層及二次淬火馬氏體層很脆，疲勞強度較低，且可能出現(xiàn)裂紋或孔洞。這可能致使疲勞裂紋萌生階段消失并導致?lián)p傷區(qū)疲勞抗力下降，進而降低了彈簧的疲勞壽命;3)形成表面殘余拉應力。燒傷區(qū)次表層淬火馬氏體有體積膨脹效應，致使該處表面形成較大的殘余拉應力，使得彈簧工作時燒傷區(qū)受到的應力比名義應力大，進而降低了彈簧的疲勞壽命。

彈簧表面燒傷區(qū)漆層完好、且表面可見噴丸特征，這表明燒傷區(qū)產(chǎn)生在噴丸之前局部接觸高溫所致。對彈簧生產(chǎn)工藝過程進行檢查，發(fā)現(xiàn)磁粉探傷機出現(xiàn)故障，產(chǎn)生電火花放電，導致彈簧局部形成高溫、發(fā)生燒傷。

綜上所述，彈簧疲勞斷裂由表面燒傷引起。彈簧表面燒傷與磁粉探傷機出現(xiàn)故障，產(chǎn)生電火花放電有關。為避免彈簧再次發(fā)生此類故障，應加強關鍵工藝、設備控制以避免彈簧受到異常損傷及避免缺陷件流入下一生產(chǎn)工序。

3 結論

1)彈簧的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2)彈簧斷裂是由磁粉探傷機出現(xiàn)故障，產(chǎn)生電火花放電，導致彈簧表面燒傷引起。

3)關鍵工藝、設備應加強控制以避免彈簧受到異常損傷。

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