某輕型商用車鋼板彈簧斷裂分析

李鑫 成少波 馬紅陽

摘要：輕型商用車鋼板彈簧在路試中出現(xiàn)早期疲勞斷裂。分析斷裂原因的方法應(yīng)從斷裂宏觀入手，對故障件的化學成分、金相組織、硬度、非金屬夾雜物、脫碳層及噴丸進行檢驗，從而找出斷裂的根本原因。圍繞一款輕型商用車在道路試驗過程中右后鋼板彈簧斷裂的現(xiàn)象進行分析，通過核對，確定斷料毛刺超差導(dǎo)斂在軋制生產(chǎn)過程中出現(xiàn)戳棍現(xiàn)象，從而造成軋輥表面質(zhì)量缺陷，最終導(dǎo)致產(chǎn)品軋制表面壓痕，在路試中造成應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞源，在交變應(yīng)力作用下使裂紋擴展最終斷裂。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧;斷裂;壓痕;分析

中圖分類號：U463 收稿日期：2022-12-18

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.006

l 前言

鋼板彈簧（以下簡稱板簧）是汽車關(guān)鍵的彈性元件，其主要功能是作為汽車懸架系統(tǒng)的一部分起著吸振和減振的作用，保證汽車行駛的平穩(wěn)性，其縱向布置時還具有導(dǎo)向傳力的作用。

某輕型商用車右后板簧在臺架試驗中的試驗結(jié)果的各項指標均滿足設(shè)計要求，但是在綜合路試中僅行駛17 300 km就發(fā)生斷裂。為查找斷裂原因，對該斷裂板簧做了全面分析。

2 斷裂宏觀分析

2.1 斷裂位置

斷裂位置在板簧中部，前端距中心孔172 mm，后端距中心孔207 mm（圖1）。這種斷裂通常為異常斷裂，原因可能是產(chǎn)品本身質(zhì)量問題導(dǎo)斂斷裂，也可能是外部原因?qū)е掳寤僧a(chǎn)生缺陷導(dǎo)斂斷裂。

因U型螺栓松動導(dǎo)致的斷裂多發(fā)生在中心孔處。常規(guī)的板簧斷裂位置在U型螺栓加緊位置附近，此斷裂多為板簧壽命達到極限。

2.2 斷口周圍情況

觀察斷裂板簧主板的表面，發(fā)現(xiàn)有凹坑狀壓痕，且壓痕部位正處于裂源處（圖2）。凹坑表面油漆已脫落，坑底顏色呈黃棕色。

2.3 斷口宏觀分析

從斷口銹蝕程度可以看出，斷裂板簧后端（圖3）較前端（圖4）銹蝕嚴重，可判定為后端先斷裂，且前端斷口未發(fā)現(xiàn)疲勞源產(chǎn)生，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，故該片斷裂順序為后端斷裂后，前端承載力過人導(dǎo)斂出現(xiàn)脆性斷裂。以下著重分析后端斷裂原因。

觀察后端斷口的斷裂紋路（圖5）?？梢钥闯鰯嗫跀嗝婊敬怪卑寤煽v向，有剪切唇，斷口裂紋源位于板簧受拉應(yīng)力一側(cè)，裂紋擴展區(qū)有明顯的弧形狀貝紋線，具有典型的疲勞斷口特征;從斷口的全貌來看，疲勞擴展區(qū)面積與瞬斷區(qū)面積占比人致相同，說明該板簧服役時承載了較人載荷。瞬斷區(qū)板簧邊緣銳邊，且面積較小，說明組織韌性較好，失穩(wěn)后瞬問撕裂。

3 化學成分、夾雜物分析

3.1 化學成分

失效板簧材料及規(guī)格為50CrVA，14×70平扁。取樣做化學成分分析，其測試結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）見表1。結(jié)果表明，失效樣件化學成分符合GB/T 1222-2007《彈簧鋼》規(guī)定的5 0CrVA鋼的標準值（表2）。

3.2 非金屬夾雜物分析

鋼中非金屬夾雜物是鋼中夾帶的各種非金屬物質(zhì)顆粒的統(tǒng)稱。鋼中含有氧、氮、硫等元素，它們在鋼中的溶解度在高溫下較高，而在室溫下溶解度很低，在鋼冷卻和凝固時析出，并同鐵和其它金屬等結(jié)合成為各種化合物，稱為非金屬的夾雜物。鋼中有非金屬夾雜物存在，破壞了金屬基體的連續(xù)性，使鋼的品質(zhì)變壞。

在失效板簧材料上取樣做非金屬夾雜物分析，檢測結(jié)果見表3。結(jié)果表明失效樣件非金屬夾雜物符合GB/T1222-2007《彈簧鋼》中規(guī)定的標準值（表4）。

4 硬度、金相、脫碳層

硬度、金相、脫碳層的分析主要是對產(chǎn)品熱處理結(jié)果的分析，熱處理是將固態(tài)金屬采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。因此，板簧的熱處理對其使用壽命起著至關(guān)重要的作用。

4.1 硬度分析

如果硬度過高，則板簧脆性過大，板簧的塑性變形承受能力較小;如果硬度過小，則板簧過軟，易被壓趴。

對失效樣件進行硬度測試（圖5），其結(jié)果為HRC43，滿足回火硬度要求40.5-47 HRC。

4.2 金相分析

金相組織是指金屬組織中化學成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組成。板簧通過淬火后得到馬氏體組織，馬氏體組織再通過回火得到最終需要的均勻細致的屈氏體。板簧的組織可參照機械標準JB3782中等級分為1-8級，其中1-5級為合格。

對失效樣件進行金相測試（圖6），其結(jié)果為回火屈氏體4級，滿足標準要求。

4.3 脫碳層分析

板簧經(jīng)熱處理后，脫碳層深度不應(yīng)超過表5的要求，否則會影響板簧的疲勞壽命。

對失效樣件進行脫碳層厚度檢測（圖7），其結(jié)果為0.14 mm，滿足標準要求。

5 噴丸

噴丸是用高速運動的彈丸流對板簧表面的沖擊而使表面產(chǎn)生塑性形變層。噴丸的主要判斷標準是噴丸強度和覆蓋率，噴丸強度≥0.18C，噴丸覆蓋率≥90%。一般失效板簧不能對其噴丸強度復(fù)檢，故通常觀察它的噴丸覆蓋率。

對失效樣件進行噴丸覆蓋率觀察（圖8），其結(jié)果為95%，滿足標準要求。

6 分析與討論

輕型商用車板簧在工作中反復(fù)承受交變彎曲應(yīng)力，故對板簧的表面質(zhì)量要求很高，不允許有缺口、裂紋、折疊和疤痕，因為這些問題都將產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞源，導(dǎo)致早期斷裂。通過上述斷裂宏觀、金相組織和脫碳層檢驗以及對硬度、噴丸等項目的檢測后發(fā)現(xiàn)，各項結(jié)果均合格，說明本次板簧早期斷裂失效與產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量無直接關(guān)聯(lián)性。表面質(zhì)量缺陷導(dǎo)斂應(yīng)力集中，是產(chǎn)生早期斷裂失效的根本原因。

板簧的主要制造工藝過程為：下料一校直一鉆孔一軋制一切頭一校直一卷包耳一淬火一回火一噴丸一油漆一裝配一總成油漆一檢測。而產(chǎn)生上述壓痕工序只能是熱加工工序，因此筆者從軋制和淬火工序進行排查，通過對淬火工序排查，產(chǎn)品出爐順暢，步進機與溜板已進行過維護，且根據(jù)壓痕狀態(tài)可排除淬火工序造成的壓痕（淬火產(chǎn)品出爐不暢導(dǎo)致的壓痕為長條形拉傷）：軋制工序產(chǎn)生壓痕是軋輥表面起毛，產(chǎn)生軋輥起毛的原因為來料毛刺超差，在軋制送料時產(chǎn)品端部毛刺與軋輥接觸，形成戳棍現(xiàn)象，造成軋輥表面缺陷。通過查看當班軋輥更換記錄，發(fā)現(xiàn)當班在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)過一次異常換輥，所以鎖定軋輥起毛是導(dǎo)致產(chǎn)品壓痕的主要原因。

7 結(jié)語

軋輥表面起毛，在軋制過程中造成板簧表面缺陷，車輛在運行過程中促使該處產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成疲勞源，在交變彎曲應(yīng)力的作用下使裂紋不斷擴展而最終斷裂。關(guān)注斷裂周邊情況和斷口的宏觀情況非常必要，很多斷裂在斷口周邊可以發(fā)現(xiàn)有細小的凹坑。在生產(chǎn)過程中應(yīng)防止對板簧表面進行損傷，損傷處多會導(dǎo)致應(yīng)力集中。該車在更換同批次板簧后累計行駛20 000 km未再發(fā)生斷裂。

參考文獻：

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作者簡介：

李鑫，男，1988年生，研究方向為整車試驗。DCDE4D68-9311-4E50-B59F-543025F597C7