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汽车钢板弹簧断裂的理化检验

发布日期:2023-01-09    浏览量:2209次

汽车钢板弹簧是汽车悬架应用最为广泛的一种弹性元件,具有可靠性好、结构简单、制作工艺流程短等优点。汽车钢板弹簧由若干片曲率半径不同、长度不同、宽度相同的弹性钢片叠加而成,在整体上近似等强度的弹性梁,具有减震和导向作用。某重型汽车钢板弹簧在服役期间异常断裂,导致车辆无法正常运行。对该断裂钢板弹簧进行一系列理化检验和分析,查明其断裂原因并提出改进建议,以避免该类问题再次发生。

宏观观察

断裂钢板弹簧的材料为50CrVA 钢,主要加工工序为:下料→校直→钻孔→淬火+中温回火→喷丸→装配→喷漆→预压缩。断裂弹簧钢片的宏观形貌如图1所示,可见断裂发生在弹簧钢片长度方向约1/4处,断裂位于钢板弹簧拉应力一侧(装配时向上),弹簧钢片表面可见明显的挤压、磨损痕迹,磨损处的弹簧钢片厚度有所减薄,其余各部位有明显的服役痕迹。

断口的宏观形貌如图2所示,可见断口稍有不平,断口上覆盖有泥土和黄锈;清洗后可见断口大致与弹簧纵向垂直,呈典型的疲劳断裂特征,断口上可见3处直径为10~15mm的半圆形贝纹线,为疲劳源及疲劳扩展区,疲劳源位于弹簧拉应力一侧的表面、宽度方向的中部位置,疲劳源及疲劳扩展区所占断口面积较小,约占整个断口的20%;其余呈放射状的区域为瞬断区,所占断口面积较大,疲劳源对侧表面可见明显的剪切唇,为最后断裂区;断口呈典型的多源低周高应力疲劳断裂特征。

化学成分分析

采用直读光谱分析仪对断裂弹簧进行化学成分分析,根据结果可见断裂弹簧的化学成分符合GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》的要求。

扫描电镜(SEM)及能谱分析

将断口经酒精超声清洗后,用SEM 观察,可见腐蚀产物堆叠,腐蚀凹坑大致呈半圆形,在腐蚀坑底部可见许多伴生的小腐蚀坑及多条裂纹(见图3)。

对断口表面的腐蚀凹坑及弹簧基体进行能谱分析,发现腐蚀凹坑处主要含有O,Al,Si,S,Ca,Fe等元素,且腐蚀凹坑中的O,Si等元素含量明显高于基体。

金相检验

断裂弹簧钢片纵向截面疲劳源侧的金相分析如图4所示。由图4可知:疲劳源侧表面部分有磨损现象,未磨损处原始表面可观察到轻微的贫碳现象;表面可观察到较多大致呈半圆形的腐蚀凹坑,凹坑底部较光滑,深度为0.05~0.15mm,凹坑附近组织无明显的塑形变形痕迹,与基体组织无异;凹坑底部有裂纹,裂纹开口处较宽,尾部较尖锐,内部有异物,扩展方向基本垂直于表面。断裂弹簧基体的组织为稍粗大回火屈氏体(见图5)。

综合分析

由上述理化检验结果可知,断裂弹簧的化学成分符合标准要求,经过淬火+中温回火后,弹簧组织为正常的稍粗大回火屈氏体,表明热处理工艺正常。

从断口的微观形貌可知:在弹簧拉应力表面有多处大小不一致且呈半圆形的凹坑,凹坑底部较光滑,凹坑附近组织无明显的塑形变形痕迹,表明凹坑为表面腐蚀凹坑,在凹坑的底部可见多条垂直于表面的裂纹。

从断口的宏观形貌可知:在断裂弹簧拉应力表面可见3处直径为10~15mm的半圆形贝纹线,该处为疲劳源及疲劳扩展区,疲劳源及疲劳扩展区所占断口面积较小,约占整个断面的20%,其他区域为瞬断区,表明钢板弹簧在服役过程中所受应力较大,断口的性质为典型多源低周高应力疲劳断裂;弹簧钢片表面有明显的磨损、挤压痕迹,磨损处钢片厚度有所减薄,说明弹簧钢片之间发生磨损,导致表面漆膜脱落,新鲜的金属光泽暴露在腐蚀介质中,又因为弹簧表面吸附了水或泥土,使弹簧表面形成了许多腐蚀凹坑。当腐蚀凹坑的拉应力超过材料的疲劳强度,便会在凹坑的底部萌生疲劳裂纹,最终发生疲劳断裂。

结论与建议

钢板弹簧断裂的原因为:弹簧受到泥沙和雨水的侵蚀和污染,弹簧钢片之间存在严重的摩擦,使弹簧表面产生腐蚀凹坑,凹坑底部存在疲劳裂纹,随后在大应力作用下,弹簧发生断裂。

建议钢板弹簧在服役过程中进行定期维护,在弹簧钢片之间加润滑剂,在服役过程中尽量杜绝超载现象。同时采用富锌漆作底漆,加喷面漆,以提高弹簧表面的耐腐蚀性能。

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