汽車用鋼板彈簧失效分析

張艷霞，王長朋,2，高立強(qiáng)，王茂川,2

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039；3.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)第六軍代室，重慶 400042）

汽車鋼板彈簧是一種常見的彈性元件，廣泛應(yīng)用于汽車懸架。鋼板彈簧是由許多具有彈性、寬度一致、長短不一的鋼片組成的彈性梁。鋼板彈簧的中部通過U型螺栓（又稱騎馬螺栓）固定在車橋上，其作用是通過懸掛的方式連接車架和車橋。鋼板彈簧裸露在車架與車橋之間，承受車輪對(duì)車架的沖擊、彎曲和振動(dòng)載荷，通過吸收車輛動(dòng)能，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，從而起到緩沖作用，保證車輛的平穩(wěn)性和安全性[1-3]。疲勞斷裂是鋼板彈簧的主要斷裂形式，其疲勞性能主要取決于材料本身的強(qiáng)度、表面質(zhì)量及內(nèi)部缺陷，其失效斷裂模式主要有彎曲疲勞、接觸疲勞、腐蝕疲勞、過載斷裂等[4-6]。

某汽車用鋼板彈簧在路試過程中行使4.8萬千米后發(fā)生斷裂。鋼板彈簧選用材料為60Si2Mn，熱處理工藝為：850 ℃保溫45 min，油淬30 s后450 ℃回火，回火時(shí)間為70～90 min，水冷。60Si2Mn鋼是一種彈簧專用鋼，屬中碳合金鋼，熱處理工藝操作簡單，淬火后組織為板條馬氏體與片狀馬氏體的混合組織，回火后得到回火屈氏體組織，具有高的屈服強(qiáng)度和疲勞極限，是我國應(yīng)用最普遍的合金彈簧鋼之一。其適用于鐵道車輛、汽車工業(yè)上承受較大負(fù)荷的扁形彈簧或螺旋彈簧；也適用于制作工作溫度在250 ℃以下、非腐蝕介質(zhì)中的耐熱彈簧；還適用于在高應(yīng)力下交變負(fù)荷工作的大型和重要的卷制彈簧及汽車減震系統(tǒng)等。文中對(duì)斷裂失效后的鋼板彈簧進(jìn)行分析，找出其失效斷裂的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1）洛氏硬度測試。所用設(shè)備為HR-150A型洛氏硬度計(jì)，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。

2）化學(xué)分析測試。所用設(shè)備為KDC-5B型碳硫儀和ICP分析儀，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》和GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》。

3）顯微組織分析及非金屬夾雜物評(píng)定。所用設(shè)備為Observer.A1m型顯微鏡，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1222—2016《彈簧鋼》和GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》。

4）斷口形貌及能譜分析。所用設(shè)備為Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡及INCA OXFORD能譜儀，對(duì)斷口形貌及微區(qū)成分進(jìn)行分析。

5）拉伸性能測試。所用設(shè)備為MTS電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀分析

鋼板彈簧裂紋起始面及斷裂面的宏觀形貌如圖1所示?？拷鼣嗫谕獗砻娴姆雷o(hù)漆層完全剝落，表面銹蝕嚴(yán)重，呈黑褐色，表面存在較多平行于斷面的微裂紋，其中，有些位置的微裂紋較密集。斷口銹蝕嚴(yán)重，呈黑褐色，多源起裂，存在較多裂紋擴(kuò)展形成的疲勞臺(tái)階紋，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占斷面的80%，快速斷裂區(qū)占20%。

圖1 樣品及斷口宏觀形貌 Fig.1 Macro-appearance of fracture sample: a) overal of leaf spring (the circle in figure a); b) surface near the fracture; c) fracture

2.2 材質(zhì)分析

將樣品表面的腐蝕產(chǎn)物層打磨后，鉆取鐵屑對(duì)基體材質(zhì)進(jìn)行分析。檢測結(jié)果可知，基體的化學(xué)成分符合GB/T 1222—2016《彈簧鋼》的要求，結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 Tab.1 Chemical composion test results

2.3 力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T 228.1—2010要求，從基體中取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣分別標(biāo)記為拉伸件1#、拉伸件2#、拉伸件3#。由表2的檢測結(jié)果可知，試樣的拉伸性能滿足GB/T 1222—2016《彈簧鋼》的要求。

表2 拉伸試驗(yàn)檢測結(jié)果 Tab.2 Mechanical performance testing results

從基體中取標(biāo)準(zhǔn)硬度試樣進(jìn)行洛氏硬度測試，硬度試樣分別標(biāo)記為硬度樣1#、硬度樣2#，每件硬度樣測試三個(gè)硬度點(diǎn)。由表3的測試結(jié)果可知，試樣硬度值滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

表3 硬度測試結(jié)果 Tab.3 Hardness test results

2.4 斷口分析

斷口形貌記錄了金屬斷裂的全過程，包括裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂過程中的各種信息。裂紋源形貌如圖2所示，斷口裂紋存在多點(diǎn)起裂，裂紋源處有多個(gè)臺(tái)階紋，說明存在應(yīng)力集中。裂紋源處存在表面圓滑的腐蝕坑缺陷，疲勞裂紋在腐蝕坑底部萌生并擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋源處腐蝕嚴(yán)重，表面被腐蝕產(chǎn)物層覆蓋。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)如圖3所示，為準(zhǔn)解理特征，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷面面積80%以上，為高周疲勞開裂。瞬斷 區(qū)如圖4所示，為韌窩和撕裂的韌性斷裂。斷口外表面形貌如圖5所示，表面被厚厚的腐蝕產(chǎn)物層覆蓋，局部存在腐蝕坑及微裂紋，微裂紋縱深擴(kuò)展，裂紋開口處存在明顯的基體腐蝕剝落現(xiàn)象。

圖2 樣品斷口裂紋源微觀形貌 Fig.2 Fracture micro topography of crack sauce area: a) low magnification; b) partially enlarged

圖3 樣品斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌 Fig.3 Fracture micro topography of fatigue crack expansion area: a) low magnification; b) partially enlarged

圖4 樣品斷口瞬斷區(qū)微觀形貌 Fig.4 Fracture micro topography of instantaneous fracture area: a) low magnification; b) partially enlarged

圖5 樣品斷口外表面微裂紋形貌 Fig.5 Micro-crack morphology on the outer surface of sample fracture: a) low magnification; b) partially enlarged

2.5 非金屬夾雜物評(píng)定

基體中非金屬夾雜物是煉鋼過程中，少量爐渣、耐火材料及冶煉反應(yīng)物進(jìn)入鋼液中形成的，非金屬夾雜物的存在一定程度破壞了材料的連續(xù)性和完整性，是有害物質(zhì)。根據(jù)非金屬夾雜物的不同形狀及顏色差異，分為A類（硫化物類）、B類（氧化鋁類）、C類（硅酸鹽類）、D類（球狀氧化物類）、Ds類（單顆粒球狀類）；根據(jù)不同種類非金屬夾雜物的寬度，分為細(xì)系、粗系。非金屬夾雜物評(píng)定級(jí)別為0～3級(jí)，級(jí)別控制越低，說明材料中非金屬夾雜物控制越好。對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)定，取樣位置符合GB/T 10561— 2005，檢測結(jié)果見表4。由表4可知，鋼板彈簧中非金屬夾雜物的含量符合60Si2Mn材料的技術(shù)要求。

表4 非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果 Tab.4 Non-metallic inclusion test results

2.6 金相分析

對(duì)垂直表面微裂紋取樣進(jìn)行觀察。如圖6所示，在2個(gè)位置存在深淺不一的腐蝕坑。腐蝕坑表面粗 糙，存在腐蝕產(chǎn)物層，深度約為180 μm；內(nèi)壁凹凸不平，腐蝕坑內(nèi)填充灰色腐蝕產(chǎn)物；靠近壁部的腐蝕產(chǎn)物相對(duì)致密；在外層的腐蝕產(chǎn)物相對(duì)疏松，呈層片狀并存在脫離剝落現(xiàn)象。在腐蝕坑底部，裂紋萌生并向縱深擴(kuò)展，裂紋開口寬、尾部窄，裂紋內(nèi)部填充灰色致密腐蝕產(chǎn)物，表明裂紋在擴(kuò)展過程中兩側(cè)基體同步發(fā)生腐蝕。

在裂紋源處取樣并進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖7所示，裂紋源附近表面存在類似圖6中的腐蝕坑，在腐蝕坑底部存在腐蝕裂紋，裂紋長度約為1.3 mm，裂紋擴(kuò)展方向平行于斷口方向。

圖6 表面微裂紋處腐蝕形態(tài) Fig.6 Corrosion form at surface microcracks: a) corrosion pit at location 1; b) corrosion pit at location 2

圖8、圖9顯示了樣品經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后的金相組織形貌?？梢钥吹?，基體表面存在半脫碳現(xiàn)象，腐蝕坑處存在部分基體腐蝕剝落，表現(xiàn)為輕微脫碳。裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，說明裂紋為后期出現(xiàn)，裂紋無沿晶或分叉現(xiàn)象，排除淬火裂紋可能，其腐蝕形態(tài)如圖7所示。樣品基體的金相組織為：回火托氏體+少量鐵素體，是彈簧鋼中溫回火后的正常組織。

圖7 裂紋源處腐蝕形態(tài) Fig.7 Corrosion form at crack source: a) low magnification; b) partially enlarged

圖8 裂紋源處金相組織 Fig.8 Metallographic structure of crack sauce: a) low magnification; b) partially enlarged

圖9 基體金相組織 Fig.9 Metallographic structure of matrix

2.7 能譜分析

3 分析與討論

對(duì)板簧表面的腐蝕坑進(jìn)行能譜分析（如圖10、圖11所示），腐蝕產(chǎn)物成分主要為O、Fe、Si、Ca等元素，說明腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，無S、Cl等高活性元素。

圖10 腐蝕產(chǎn)物成分能譜分析圖片 Fig.10 Energy spectrum analysis picture of corrosion product composition

圖11 腐蝕產(chǎn)物成分能譜分析譜圖 Fig.11 Energy spectrum analysis spectrogram of corrosion product components

構(gòu)件在波動(dòng)應(yīng)變或交變載荷作用下，構(gòu)件表面應(yīng)力集中處組織結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生不均勻滑移，形成早期疲勞裂紋[7-9]。材料的疲勞壽命取決于疲勞裂紋萌生之 前的使用周期，而零件表面的應(yīng)力集中點(diǎn)或者表面缺陷（表面凹坑、表面機(jī)加刀痕、表面劃傷、表面折疊裂紋等）是疲勞裂紋萌生的最大誘因，尤其是對(duì)于高強(qiáng)度材料，表面缺陷更容易誘發(fā)早期疲勞裂紋的萌生[10-12]。疲勞斷裂分為三個(gè)階段，一是微觀裂紋階段，即早期疲勞裂紋萌生階段；二是宏觀疲勞裂紋擴(kuò)展階段；三是瞬時(shí)斷裂階段。其中，微觀裂紋階段是疲勞斷裂最重要的環(huán)節(jié)。影響疲勞裂紋萌生的主要因素有材料本身特性和零件使用工況[13-15]。

上文對(duì)失效后的鋼板彈簧進(jìn)行了一系列分析，材料本身的特性分析表明，材料成分符合60Si2Mn標(biāo)準(zhǔn)要求，基體的金相組織為彈簧鋼正?；鼗鸾M織，材料力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表面存在半脫碳現(xiàn)象。零件工況分析表明，零件長期暴露在惡劣的路試環(huán)境下工作，表面容易吸附外界泥水及環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)。同時(shí)在板簧工作過程中，簧片間產(chǎn)生不同方向的運(yùn)動(dòng)摩擦，造成彈簧片間的溫度升高。在摩擦和高溫的共同作用下，局部接觸面的防護(hù)漆層剝落。在腐蝕介質(zhì)的作用下，局部表面產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，表面出現(xiàn)腐蝕坑及腐蝕微裂紋。因此，腐蝕的前提是簧片間的相互摩擦導(dǎo)致表面漆層脫落。表面出現(xiàn)腐蝕坑及腐蝕裂紋后，形成早期疲勞源，在受到的外力超過材料在疲勞源處的疲勞極限后，疲勞裂紋在疲勞源處萌生，并發(fā)生高周疲勞斷裂。綜合以上分析可知，本次斷裂失效與兩個(gè)因素都相關(guān)，最主要原因是簧片的異常摩擦為后期腐蝕提供了條件，另外表面存在半脫碳現(xiàn)象，表面脫碳層的硬度及強(qiáng)度達(dá)不到規(guī)定要求，導(dǎo)致表面疲勞抗力及耐腐蝕性能降低[16-18]。

本失效板簧片斷裂位置表面布滿黑褐色腐蝕產(chǎn)物層，此區(qū)域漆層完脫落，基體裸露在外，說明簧片在運(yùn)行過程中摩擦嚴(yán)重。裸露的基體在惡劣環(huán)境下，表面容易吸附泥漿或者水膜，尤其是上表面吸附的泥漿或水膜不容易掉落，在潮濕環(huán)境下形成腐蝕原電池，先發(fā)生表面點(diǎn)蝕，進(jìn)而形成均勻腐蝕現(xiàn)象。表面點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)后，在點(diǎn)蝕坑底部導(dǎo)致應(yīng)力集中效應(yīng)，同時(shí)板簧在工作過程中受彎曲應(yīng)力，下表面受拉應(yīng)力，當(dāng)點(diǎn)蝕坑底部的拉應(yīng)力超過材料的疲勞極限后，疲勞微裂紋在此處萌生。因此，早期微裂紋是表面拉應(yīng)力和點(diǎn)蝕坑底部應(yīng)力疊加的結(jié)果[19]。

板簧片間的磨損是腐蝕發(fā)生的前提條件，而腐蝕環(huán)境中存在腐蝕介質(zhì)是發(fā)生電化學(xué)腐蝕的必要條件。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物成分主要為O、Fe、Si、Ca等元素，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。因此推斷材料的腐蝕機(jī)理為：板簧基體表面附著泥水，泥水中溶有大氣中的O2、CO2等氣體，板簧基體中的Fe作為陽極，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成鐵的氧化物[20]。

本失效板簧樣品表面微裂紋主要分布在斷裂區(qū)域，分布相對(duì)較集中，主要受到表面應(yīng)力分布的影響，在早期疲勞裂紋形成后，其擴(kuò)展速率受應(yīng)力的影響較大。在應(yīng)力較大區(qū)域，裂紋較密集且擴(kuò)展速率較快，板簧斷面疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷面面積的80%以上，說明疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)間較長。在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，名義應(yīng)力水平較低，處于材料的疲勞極限范圍內(nèi)，是典型的高周疲勞斷裂。

4 結(jié)論

1）鋼板彈簧的斷裂主要是在以下因素的共同作用下發(fā)生的。第一，鋼板彈簧表面出現(xiàn)腐蝕坑及腐蝕微裂紋缺陷，表面缺陷的出現(xiàn)加劇了板簧表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加速了早期疲勞裂紋的萌生；第二，表面存在脫碳現(xiàn)象，導(dǎo)致表面硬度及強(qiáng)度降低，表面耐腐蝕性能下降，為早期疲勞裂紋的萌生創(chuàng)造了條件。

2）鋼板彈簧表面出現(xiàn)腐蝕坑及腐蝕裂紋的原因是由于使用過程中板簧表面存在異常磨損，導(dǎo)致局部防護(hù)漆層脫落，裸露的金屬基體在泥水環(huán)境下出現(xiàn)腐蝕坑，并在腐蝕坑處萌生腐蝕裂紋。

5 改進(jìn)措施及效果

1）改善鋼板彈簧熱處理質(zhì)量，避免簧片表面出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，保證表面的耐腐蝕性能及抗疲勞斷裂能力。

2）嚴(yán)格控制鋼板彈簧的安裝精度及裝載方式，避免簧片間異常接觸導(dǎo)致漆層脫落；做好定期維護(hù)保養(yǎng)，在簧片間加石墨潤滑劑，防止長時(shí)間在工作中干磨或擠壓碰撞導(dǎo)致漆層過早脫落；定期對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行清洗、去污、去泥，防止腐蝕介質(zhì)長期附著在基體表面導(dǎo)致腐蝕；定期檢查鋼板彈簧外觀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕或開裂的簧片，并進(jìn)行更換。

3）通過改進(jìn)熱處理工藝，有效控制了表面的脫碳現(xiàn)象；通過改善安裝加載方式，定期保養(yǎng)、清理泥水等，有效杜絕了表面漆層脫落。在后期路試過程中，未出現(xiàn)鋼板彈簧腐蝕疲勞斷裂情況。