汽車扭桿彈簧斷裂的分析

謝曉輝

摘 要：本文對一起SUV車型的扭桿彈簧斷裂進行了分析，通過分析扭桿彈簧的斷口、金相、脫碳、非金屬夾雜物等，最終分析得出，扭桿彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂失效，斷裂原因為表面脫碳較多、非金屬夾雜物多，樣件表面存在磕碰、機加痕跡等缺陷時，在使用過程中，受到扭轉(zhuǎn)應力形成裂紋，最終發(fā)生斷裂。

關鍵詞：扭桿；彈簧；斷裂；脫碳；非金屬夾雜物

1 概述

扭桿彈簧是一種彈性元件，利用扭桿的扭轉(zhuǎn)變形能起作用，扭桿彈簧作為緩沖、減振和儲能元件，由于其良好的減振性能以及所用布置空間小、質(zhì)量輕、無需潤滑等特點，廣泛應用于輕型汽車、轎車和越野汽車的懸架系統(tǒng)。其中，圓形扭桿因其結構簡單、制造方便而得到廣泛應用。

本文所提到某型皮卡車的斷裂扭桿彈簧材料為60Si2MnA，扭桿彈簧總成疲勞試驗一般按圖樣要求進行；我公司扭桿疲勞壽命要求60萬次，在開發(fā)扭桿進行疲勞試驗時發(fā)生扭桿在30萬次斷裂，廠家加工工藝為下料-墩粗-加工花鍵-熱處理（經(jīng)850～890°C加熱淬火，450～480°C回火，油冷卻，表面強力噴丸處理）-預扭-噴塑。

2 檢測及結果

2.1 材料化學成分

化學成份分析結果符合標準GBT 1222-2007要求。

2.2 斷口形貌分析

從斷裂扭桿彈簧的斷口形貌可知，扭桿彈簧的斷裂為疲勞斷裂的特征，由斷口形貌分析斷裂過程為表面出現(xiàn)微小裂紋，在繼續(xù)受載后，微裂紋逐漸擴展，使扭桿彈簧的有效承載面積逐漸減??；隨著承載面積的逐漸減小，在相同載荷先，扭桿彈簧所承受的應力逐漸增大，直至超過材料的斷裂強度，造成最終的完全斷裂。

2.3 金相檢驗

①在斷裂處取金相試樣，經(jīng)顯微鏡下觀察，其金相組織為回火索氏體。

②經(jīng)分析斷口處非金屬夾雜物，發(fā)現(xiàn)故障件的D類非金屬夾雜物偏多，超過了標準的最嚴重的3級。

③脫碳層深度測量結果平均值0.25毫米，在規(guī)定范圍之內(nèi)（標準要求不超過0.2毫米）。

2.4 硬度檢驗

用洛氏硬度計測量失效彈簧表面及心部硬度，測量結果如表2

3 分析與討論

由斷口分析可知，扭桿彈簧屬疲勞斷裂。扭桿彈簧的表面狀態(tài)對疲勞強度影響很大，表面質(zhì)量包括微觀的表面殘余應力、脫碳、夾雜物和宏觀的表面粗糙度。扭桿彈簧斷裂原因為表面脫碳較多、非金屬夾雜物多，樣件表面存在缺口、凹坑等缺陷時，在扭應力作用下就可能產(chǎn)生應力集中形成裂紋，最終發(fā)生斷裂。扭桿表面存在點狀非金屬夾雜物構成疲勞源，在交變應力作用下，從點狀非金屬夾雜物處產(chǎn)生微裂紋，最終導致提前疲勞斷裂。當表面存在磕碰、機加痕跡等缺陷時，在扭轉(zhuǎn)應力頻繁作用下就可能形成裂紋，并且隨著疲勞次數(shù)的增多，裂紋不斷擴展形成疲勞斷裂擴展區(qū)。

由于非金屬夾雜物自身的強度較低，故障件材料中非金屬夾雜物多，破壞了扭桿彈簧材料晶粒的均勻性和連續(xù)性，因此在非金屬夾雜物處應力集中，成為疲勞斷裂源。而脫碳層由于其硬度、強度低在其中又加劇了疲勞斷裂。

表面噴丸可以使扭桿彈簧表面形變強化，提高了材料的表面的強度，抵消部分表層工作的拉應力，降低缺口應力集中系數(shù)和疲勞敏感度，降低疲勞損傷，提高耐久性能。而噴丸的不當，易造成扭桿彈簧的表面質(zhì)量差，出現(xiàn)凹坑形成疲勞源。

在扭桿彈簧的制作過程中，由于防護不當、加工精度差等問題，也易造成表面應力集中，使疲勞強度下降。

4 結論

此扭桿彈簧斷裂屬于材料的疲勞斷裂失效。主要原因是：扭桿彈簧表面質(zhì)量差，存在不同程度的磕碰、劃傷導致應力集中；同時材料的非金屬夾雜物超標和熱處理不當導致表面脫碳嚴重，加劇了裂紋的擴展，降低了扭桿彈簧的疲勞強度，最終造成扭桿彈簧早期疲勞斷裂。