分享：某汽车前桥横置板簧断裂原因分析

夏 彪,王 磊

(南京依维柯汽车有限公司,南京 ２１１８０６)

摘要:某汽车在可靠性道路试验中,前桥横置板簧发生了断裂.通过宏观分析、微观分析、化学成分分析、硬度测试、金相检验等方法,对板簧的断裂原因进行了分析.结果表明:板簧表面存在由喷丸工艺不当引起的微小折叠缺陷,折叠部位存应力集中,为疲劳裂纹萌生创造了条件,在可靠性道路试验时,板簧处于反复交变弯曲载荷作用下,裂纹不断扩展,最终导致板簧发生了疲劳断裂.

关键词:板簧;喷丸工艺;折叠缺陷;裂纹;疲劳断裂

中图分类号:TG１５７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０７Ｇ０５１２Ｇ０３

目前欧系商用车的前桥正在向具有横置板簧的结构形式发展,此结构形式前桥与传统前桥相比质量减轻３％~７％,承载能力提升６％,具有制动性能优良及便于维修等优点.横置板簧前桥由横置板簧、双叉臂式摆臂总成、转向机构及轮毂等零部件构成,其中横置板簧主要作用是储存能量和减轻震动,是该系统中的重要零件,其作为弹性元件受力最为复杂多变且工作环境恶劣,因此对板簧质量的要求较高.某汽车在可靠性道路试验中,完成试验里程的８１．９％时,前桥横置板簧发生断裂失效.该板簧采用５０CrVA 钢加工制造而成,主要生产工艺为:下料→矫直→轧制→打弯→淬火→回火→喷丸→电泳等[１].现场勘查道路试验条件,载荷、道路状况等均满足试验要求.将前桥拆解后,检验摆臂、弹性垫块等与板簧连接的零部件,均满足图纸或技术文件要求.为找出该横置板簧断裂的原因,笔者对其进行了检验和分析.

１ 理化检验

１．１ 宏观分析

板簧断裂处位于一端头部,如图１所示.宏观观察可见,板簧断口较为平整,为灰白色,呈现典型疲劳断口形貌,如图２所示.疲劳源位于板簧受拉表面中间部位,该处存在淡黄色的锈蚀特征,这与裂源处开裂较早相关.疲劳裂纹扩展区处贝纹线清晰可见,瞬断区具有明显放射花样[２].裂纹源区与疲劳扩展区在断口面占比较小,表明材料在瞬断时承受较大的冲击载荷,与满载的试验条件相符.

１．３ 化学成分分析

用固定式全谱直读光谱仪分析板簧的化学成分,结 果 见 表 １,可 见 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T１２２２－２０１６«弹簧钢»对５０CrVA 钢成分的要求.

１．４ 硬度测试

经测试板簧中心部位硬度为４７HRC,符合技术要求(４５~５０HRC).技术要求中,为检测脱碳层的影响,保证表面具有合适性能,采用硬度法测量距表面２mm 处的硬度,要求其大于距表面５mm 处硬度的８０％,实测距表面２mm 处硬度为４７１HV０．２,距表面５mm 处硬度为４８６HV０．２,可见表面脱碳情况亦符合技术要求。

１．５ 金相检验

从断裂源处取样,磨 制、抛 光、浸 蚀 后 在 金 相显微镜下观察,如图４所 示.疲 劳 源 及 其 附 近 表面 均 出 现 金 属 的 变 形 和 各 种 形 态 的 折 叠 纹 和 凹坑,如图４a)所示,微裂纹沿凹坑底部或折叠纹尾端向中 心 垂 直 扩 展,由 此 可 见 裂 纹 源 自 折 叠 尾部.板 簧 表 面 有 部 分 脱 碳,脱 碳 层 深 度 约为０．２５ mm.

板簧经８５０ ℃淬火＋４６０ ℃回火热处理后,其显微组织为回火屈氏体＋少量铁素体,中心部位组织由于成分的不均匀,呈现出沿轧制方向分布的条带状组织形貌,如图４b)所示,该组织为淬火＋中温回火后正常组织.

部分回火屈氏体保留板条马氏体位向,测量板条束长度约２０μm,未见晶粒异常长大现象,表明实际热处理工艺符合规范.

２ 分析与讨论

现场勘查各试验条件及拆解前桥连接各零部件,经检验均满足技术文件或图纸要求.从断裂板簧理化检验结果可知,断裂板簧材料的化学成分、硬度、脱碳层和显微组织等均符合相关技术要求.观察板簧断口可知此断裂为典型多源高应力疲劳断裂,板簧表面存在因喷丸过喷引起的折叠缺陷,裂纹源位于折叠缺陷底部.从金属疲劳过程分析,在交变载荷作用下金属局部将发生多系和单系滑移,金属表面不只形成滑移台阶,而且会形成驻留滑移带缺陷,这种驻留滑移带中各种晶体缺陷高度密集,使金属晶体原子之间的结合键遭到极大破坏,从而萌生疲劳裂纹[４].裂纹源主要集中在金属表面上,所以零件的表面状态对疲劳极限的影响很大.板簧表面采用喷丸工艺,其目的是提高表面疲劳极限,一般情况下通过喷丸处理,板簧表面产生强化层,改变了表面内应力分布,使表面产生残余压应力,从而降低交变载荷下表面的拉应力,疲劳裂纹不易产生和扩展,能有效提高表面疲劳极限.但喷丸工艺控制不当,如喷丸过度,就可能使喷丸后板簧表面过度变形而产生折叠纹,反而降低疲劳极限.从断裂板簧的扫描电镜和金相检验结果可知,喷丸表面出现密集、呈网络状的折叠纹和凹坑,说明板簧表面喷丸过度.推理可知板簧断裂过程:由于板簧喷丸表面存在大小不等、形态各异的折叠纹和凹坑,使该部位存在应力集中,在道路试验过程中的反复应力作用下,折叠纹底部成为疲劳裂纹源,此处较易形成驻留滑移带,并随应力反复变化萌生微裂纹,然后逐渐扩展,形成较平坦的疲劳扩展区,随着断裂区的扩大,剩余截面不断减小,当扩展至某一阶段时,板簧在较大冲击载荷下失稳,裂纹快速发展导致瞬间断裂.

３ 结论及建议

汽车前桥横置板簧断裂的主要原因是,喷丸表面存在较多且密集的折叠纹,折叠纹底部应力集中,在满载的恶劣路况条件下,折叠纹处成为疲劳裂纹源,在反复交变弯曲载荷作用下,裂纹不断扩展,最终导致板簧发生疲劳断裂.建议改善喷丸工艺,调整喷丸强度、喷丸时间等参数,避免产生过喷而出现折叠缺陷.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2019年 > 7期 > pp.512）