汽車前螺旋彈簧斷裂分析

曾云玲，褚明志

廣汽乘用車有限公司 廣東廣州 511434

1 序言

螺旋彈簧是廣泛適用于獨(dú)立型懸架系統(tǒng)的一種彈性元件類型，在行駛過(guò)程中承受高頻率往復(fù)壓縮運(yùn)動(dòng)，起著緩沖和減振作用，以提高駕駛過(guò)程中舒適性和安全性。螺旋彈簧質(zhì)量對(duì)車輛平穩(wěn)性、安全性起著至關(guān)重要的作用。螺旋彈簧常見(jiàn)的失效模式有脆性斷裂、疲勞斷裂、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕疲勞、氫脆等[1-4]。

某車型右前螺旋彈簧在行駛約10萬(wàn)km后發(fā)生斷裂。斷裂彈簧采用55SiCr6鋼，熱處理工藝為淬火＋回火，組織要求為回火屈氏體，硬度要求47～56HRC，脫碳層深度不超過(guò)直徑（φ12.9mm）的1%。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 斷口宏觀觀察

圖1 故障件整體結(jié)構(gòu)

故障件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 斷裂發(fā)生在彈簧端圈0.75圈位置，即底座與彈簧分離處，如圖2所示（紅色箭頭指向位置）。裂紋源位于與彈簧縱向垂直的彈簧側(cè)表面，該位置涂層磨損脫落，表面生銹，疑似受到?jīng)_擊引起表面涂層脫落，如圖3所示。其他位置未見(jiàn)異常損傷。彈簧斷口無(wú)明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，如圖4所示。

圖2 安裝

圖3 表面銹蝕區(qū)域

圖4 斷口形貌

2.2 斷口微觀觀察

圖5 斷裂源區(qū)龜裂狀泥紋花樣

從斷口微觀可以看出，斷裂源區(qū)呈龜裂狀泥紋花樣特征（見(jiàn)圖5），存在較多腐蝕產(chǎn)物和腐蝕凹坑（見(jiàn)圖6）。擴(kuò)展區(qū)域是大量的小晶面和解理臺(tái)階組成的解理形貌（見(jiàn)圖7）。對(duì)斷口源區(qū)進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果表明，除基體元素外，裂紋源附近氧含量非常高，還含有一定量的Cl元素（見(jiàn)圖8）。

圖6 斷裂源區(qū)腐蝕凹坑

圖7 擴(kuò)展區(qū)解理形貌

圖8 斷口源區(qū)能譜分析結(jié)果

2.3 材質(zhì)測(cè)試

采用GB/T 4336—2002 《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）》進(jìn)行材質(zhì)測(cè)試，結(jié)果滿足供應(yīng)商提供的材料協(xié)議。

2.4 硬度檢測(cè)

在故障彈簧截面取樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，采用GB/T 230.1—2009 《金屬材料洛氏硬度測(cè)試方法》對(duì)試樣硬度進(jìn)行檢測(cè)，試樣硬度為52.5～53.5HRC，滿足工藝要求的47～56HRC。

2.5 金相分析

垂直于斷口表面，沿裂紋源區(qū)橫向截取試樣進(jìn)行金相分析，裂紋源一側(cè)表面發(fā)現(xiàn)大量腐蝕凹坑（見(jiàn)圖9），尺寸較大的寬度約0.145mm、深度約0.102mm。在對(duì)側(cè)未見(jiàn)到腐蝕特征。彈簧金相組織為均勻細(xì)小的回火屈氏體（見(jiàn)圖10），表面無(wú)明顯脫碳現(xiàn)象，符合技術(shù)要求。

圖9 表面腐蝕凹坑

圖10 回火屈氏體組織

3 分析與討論

通過(guò)對(duì)試樣的宏觀觀察和微觀分析所揭示的各種形態(tài)特征及腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果可以看出：斷口附近及表面均未見(jiàn)明顯塑性變形及機(jī)械損傷的痕跡；斷口呈解理斷裂特征，斷口表面有腐蝕凹坑、二次裂紋及腐蝕溝槽，腐蝕凹坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物有應(yīng)力腐蝕的泥紋花樣特征；斷裂源區(qū)附近氧含量很高，且存在一定的腐蝕性介質(zhì)氯（Cl）。

彈簧通常用剛性材料制成，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，因此各類缺陷、應(yīng)力及腐蝕影響甚為敏感[3，5]。汽車底盤使用環(huán)境較為惡劣，彈簧底座與彈簧分離的位置易儲(chǔ)存水汽，當(dāng)有硬物進(jìn)入時(shí)，彈簧在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中涂層逐漸被磨損，鋼基體暴露。在腐蝕環(huán)境下（撒了融雪劑的冬天、礦山及沿海地區(qū)等），鋼基體失去涂層的保護(hù)，表面形成腐蝕凹坑，裂紋萌生并向心部擴(kuò)展，最后瞬間斷裂。

綜上分析，該車輛在行駛過(guò)程中，彈簧底座進(jìn)入了碎石等較硬物質(zhì)，彈簧斷裂處反復(fù)與底座碎石擠壓，碎石沖擊造成彈簧表面涂層被破壞，基體在暴露環(huán)境下逐漸腐蝕。在持續(xù)的腐蝕和沖擊下，腐蝕坑逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，裂紋形成并迅速擴(kuò)展，從而導(dǎo)致彈簧失效斷裂。

4 結(jié)論與建議

1）彈簧的斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。彈簧受機(jī)械損傷致使表面涂層剝落，造成腐蝕源。氯離子等腐蝕介質(zhì)和高頻率的工作環(huán)境促使拉伸應(yīng)力逐漸增加，為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂提供了條件。

2）建議優(yōu)化底座結(jié)構(gòu)或?qū)椈筛考友b防護(hù)套，避免涂層因受到異物擠壓而提前破壞，引起早期失效。

3）優(yōu)化涂裝工藝，可采用雙涂工藝增加涂層厚度和硬度。