SUP9A汽車鋼板彈簧疲勞斷裂失效分析

張俊花，陳廷樹，康學勤

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院 徐州技師分院，江蘇 徐州 221151；2.中國礦業(yè)大學 材料與物理學院，江蘇 徐州 221008）

0 引言

鋼板彈簧是汽車懸架中的一種彈性元件，它是由若干片等寬、不等長和不等曲率的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁[1]。鋼板彈簧是汽車懸架系統(tǒng)的關鍵構件，其將車輪的力和轉矩傳遞給車架，對車架起導向、緩沖、減震和支撐等作用[2-4]。使用過程中鋼板彈簧的主要失效模式有彎曲疲勞[2，5]、腐蝕疲勞[1，6-7]、氫致脆斷[8-9]和過載斷裂。正常工作狀態(tài)下，鋼板彈簧的上表面承受拉應力，裂紋多起源于此表面的缺陷或應力集中處，例如熱處理或制造過程中出現(xiàn)的淬火裂紋、鍛造折疊、噴丸凹坑，以及在使用過程中出現(xiàn)的點蝕坑等。

SUP9A是日本標準中的一個彈簧鋼牌號，對應于我國標準中的55CrMnA，該型號彈簧鋼克服了Si-Mn鋼的缺點，可防止鋼的過熱和脫碳，具有良好的工藝性能和綜合力學性能[11]，主要用于工程車輛中負荷較重、應力較大的鋼板彈簧和直徑較大的螺旋彈簧[10]。

某廠生產(chǎn)的SUP9A鋼板彈簧按照GB/T 19844-2018在加載頻率為1 Hz的臺架疲勞試驗中，循環(huán)到1.25 萬次時發(fā)生斷裂失效，遠低于標準要求的10 萬次。該鋼板彈簧加工工藝為：下料→校直→鉆孔→卷耳→淬火→中溫回火→噴丸→裝配→預壓縮。鋼板彈簧熱處理工藝為：天然氣加熱爐加熱彈簧扁鋼至860 ℃，保溫45～60 min，油淬，淬火搖擺時間為50 s；回火溫度為450℃，回火時間為100～120 min，水冷。為分析該鋼板彈簧斷裂原因，驗證同批次彈簧安全性，尋找斷裂失效的預防措施，對斷裂鋼板彈簧取樣并進行失效分析。

1 理化檢驗

1.1 斷口宏觀分析

圖1（a）為該廠提供的斷裂鋼板彈簧形貌圖，斷裂位置距離鋼板彈簧中心35 mm處，從圖中可以看到鋼板彈簧表面布滿噴丸留下的凹坑。圖1（b）為鋼板彈簧的斷口形貌圖，從圖中可以看出，斷口與鋼板彈簧長度方向垂直，無明顯塑性變形，為宏觀脆性開裂，斷口表面較粗糙，在B區(qū)域可以觀察到明顯的撕裂棱，根據(jù)撕裂棱的方向可知A區(qū)域為裂紋源區(qū)，鋼板彈簧斷裂起源于表面[7，12]，其余區(qū)域（C區(qū)）為最終斷裂區(qū)。

圖1 斷裂鋼板彈簧宏觀形貌圖

1.2 斷口微觀分析

用掃描電鏡觀察鋼板彈簧斷口中的裂紋源區(qū)和擴展區(qū)的微觀形貌，圖2為裂紋源區(qū)的掃描電鏡圖（SEM），從圖中可以看出該區(qū)域為解理斷裂，屬于微觀脆性斷裂，在裂紋源區(qū)可以觀察到二次裂紋。圖3為裂紋擴展區(qū)SEM圖，從圖中可以確定為準解理斷裂，可以觀察到疲勞輝紋，說明擴展區(qū)是在力的循環(huán)作用下形成的。

圖2 裂紋源區(qū)SEM圖

圖3 裂紋擴展區(qū)SEM圖

1.3 鋼板彈簧磁粉探傷測試

將鋼板彈簧放到UniMT-12000A/D熒光磁粉探傷機中進行復合磁化，軸向電流為3500 A，縱向電流為2000 A，磁化2次，磁化時間為1 s。圖4為鋼板彈簧表面磁粉探傷形貌圖，從圖中可以看到鋼板彈簧表面存在多條磁痕，鋼板彈簧斷口的裂紋源區(qū)域A和B處有明顯的裂紋存在，說明鋼板彈簧在臺架試驗前表面已有裂紋存在，需要進一步分析裂紋產(chǎn)生的原因。

1.4 裂紋微觀形貌分析

在圖4的裂紋中部用線切割取樣，用OLYMPUS GX53光學顯微鏡對裂紋形貌和裂紋處的顯微組織進行檢測。圖5為裂紋靠近鋼板彈簧表面和尖端的形貌圖，從圖中可以看出裂紋在試樣表面的寬度比內部要大，說明試樣從表面開裂，向材料內部擴展。從圖中還可以看出，裂紋尖端較尖銳，但是裂紋的擴展不是沿直線進行。圖6為熱處理后裂紋靠近鋼板彈簧表面和尖端處的顯微組織圖，從圖中可以看出裂紋兩側及尖端未出現(xiàn)脫碳及氧化現(xiàn)象，說明裂紋是在淬火過程中或者淬火后產(chǎn)生的。

圖4 鋼板彈簧磁粉探傷形貌圖

圖5 裂紋形貌圖

圖6 裂紋顯微組織圖

1.5 化學成分分析

從斷裂鋼板彈簧中取樣，用Bruker Q4直讀光譜儀測定其化學成分，測試結果如表1所示，可以看出該鋼板彈簧成分滿足標準GB/T 1222-2016《彈簧鋼》中55CrMnA（SUP9A）鋼的要求。

表1 55CrMnA鋼板彈簧化學成分質量分數(shù)測試結果 %

1.6 拉伸性能和硬度測試

在鋼板彈簧中心沿長度方向取圓柱形拉伸試樣，采用電子萬能試驗機UTM5305測試其拉伸性能，測試結果如表2所示。由表2可以看出，該鋼板彈簧屈服強度、抗拉強度和斷面收縮率滿足標準GB/T 1222-2016要求，延伸率稍低于該標準要求。采用HR-150A洛氏硬度計測量鋼板彈簧硬度，在表面和心部各取3個點，表面硬度平均值為48.2 HRC（49.0、47.5、48.1 HRC），心部硬度平均值為47.6 HRC（48.5、47.3、47.0 HRC）。表面和心部硬度較均勻，均滿足技術要求的46～50 HRC。

表2 鋼板彈簧拉伸性能測試結果

1.7 顯微組織分析

從斷裂鋼板彈簧上取樣并進行夾雜物和顯微組織觀察，圖7（a）為鋼板彈簧材料夾雜物形貌圖，該材料非金屬夾雜物A類評為0.5級（細系）、B類評為0級、C類評為0級、D類評為0.5級（細系），其非金屬夾雜物等級符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》的要求。圖7（b）為鋼板彈簧材料用4%硝酸酒精溶液腐蝕后的顯微組織圖，從圖中可以看出該鋼板彈簧顯微組織為淬火和中溫回火后的回火屈氏體。

圖7 鋼板彈簧夾雜物和顯微組織

從鋼板彈簧原材料上取樣并進行顯微組織觀察。圖8為原材料低倍和高倍顯微組織圖，從圖中可以看出其顯微組織為珠光體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，晶粒度為4級。

圖8 鋼板彈簧原材料顯微組織

2 分析與討論

成分測試表明鋼板彈簧材料滿足SUP9A（55CrMnA）鋼的要求，力學性能測試表明熱處理鋼板彈簧材料硬度、屈服強度、抗拉強度和斷面收縮率符合標準要求，延伸率稍低于標準值。鋼板彈簧原材料晶粒度約為4級，顯微組織為珠光體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀。熱處理加熱過程中珠光體首先轉變?yōu)閵W氏體，然后鐵素體才開始轉化成奧氏體，在860 ℃下保溫后全部轉變?yōu)閵W氏體，轉化后的奧氏體含碳量并不均勻，原因是網(wǎng)狀鐵素體的區(qū)域含碳量較低，珠光體的區(qū)域含碳量較高。淬火冷卻過程中，由于奧氏體成分和冷卻速度的不均勻性，其轉化時間也不同，內部產(chǎn)生較大的淬火應力。原材料晶粒粗大，一方面增加了淬火冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應力，另一方面降低了材料的強度[13-14]。當熱處理殘余應力超過材料本身的強度時，在材料表面產(chǎn)生裂紋[15]，磁粉測試時鋼板彈簧表面出現(xiàn)磁痕。裂紋出現(xiàn)后向材料內部擴展，由于網(wǎng)狀鐵素體處含碳量較低，熱處理后材料強度較低，裂紋沿網(wǎng)狀鐵素體擴展，形成圖5中的裂紋及裂紋尖端形貌。

淬火中形成的裂紋成為鋼板彈簧臺架疲勞試驗中斷裂的源頭，淬火裂紋經(jīng)多次循環(huán)后形成裂紋源，裂紋源在循環(huán)應力作用下擴展形成擴展區(qū)，當剩余截面不足以承受循環(huán)應力時，鋼板彈簧出現(xiàn)過載斷裂，形成瞬斷區(qū)。雖然噴丸過程中在彈簧表面形成的殘余壓應力在一定程度上延緩了疲勞裂紋的萌生和擴展，但是鋼板彈簧表面熱處理裂紋的產(chǎn)生加速了疲勞裂紋的萌生和擴展。原材料中存在網(wǎng)狀鐵素體，熱處理后雖然網(wǎng)狀鐵素體消失，但是原來是鐵素體的區(qū)域，轉化成回火屈氏體，其碳元素含量與周圍相比仍然較低，與周邊材料的性能也存在差異。這就導致材料延伸率低于標準要求，彈簧鋼板韌性較低，裂紋尖端產(chǎn)生嚴重的應力集中，加速了裂紋的擴展。

原材料中存在網(wǎng)狀鐵素體和晶粒粗大使鋼板彈簧在淬火過程中或淬火后未及時回火出現(xiàn)開裂，該裂紋嚴重降低了鋼板彈簧的疲勞壽命，使其在臺架疲勞試驗中循環(huán)到1.25 萬次時出現(xiàn)開裂。對同批次鋼板彈簧材料進行正火處理，細化材料組織，消除網(wǎng)狀鐵素體。熱處理后進行磁粉探傷處理，在鋼板彈簧表面未發(fā)現(xiàn)磁痕（裂紋）。再對鋼板彈簧進行臺架疲勞試驗，循環(huán)10 萬次后，鋼板彈簧未出現(xiàn)開裂，對彈簧表面再進行磁粉探傷時，也未出現(xiàn)磁痕（裂紋）。

3 結論

通過對鋼板彈簧斷口形貌、顯微組織、化學成分、力學性能等進行檢測和觀察，并結合鋼板彈簧生產(chǎn)和測試過程，得出的結論為：1）熱處理過程中產(chǎn)生的淬火裂紋是鋼板彈簧在臺架疲勞試驗中開裂的主要原因；2）原材料存在網(wǎng)狀鐵素體和晶粒粗大是鋼板彈簧淬火時產(chǎn)生開裂的主要原因。

根據(jù)分析結果對廠家提出如下建議：1）對原材料顯微組織和晶粒度提高要求，提高原材料質量；2）對于剩余原材料，可進行正火處理，消除網(wǎng)狀鐵素體和細化晶粒，再進行正常生產(chǎn)。