摘 要:某廠生產(chǎn)的鋼板彈簧在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中發(fā)生早期斷裂失效.通過(guò)宏觀分析、斷口掃描 電鏡及能譜分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)鋼板彈簧的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:鋼板彈簧斷裂為 早期疲勞斷裂,斷裂起源于鋼板表層夾渣缺陷;夾渣主要為外來(lái)夾雜物,大多來(lái)自鋼液與大包、中 包、水口等接觸產(chǎn)生的二次氧化物,也包括脫氧產(chǎn)物上浮不充分;通過(guò)在轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)由低拉碳出鋼 轉(zhuǎn)變?yōu)楦呃汲鲣?精煉過(guò)程中采用石灰等碳含量較高的脫氧劑,轉(zhuǎn)爐內(nèi)采用鋁、硅等強(qiáng)脫氧劑等 工藝的實(shí)施,有效地避免了由于彈簧扁鋼夾渣缺陷導(dǎo)致鋼板彈簧早期斷裂失效的發(fā)生. 

關(guān)鍵詞:SUP１０彈簧鋼板;臺(tái)架疲勞試驗(yàn);早期疲勞斷裂;夾渣 

中圖分類號(hào):TG１５７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９２４Ｇ０４ 

SUP１０是日本現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JISG４８０１－２００５ «彈簧鋼鋼材»中的彈簧鋼牌號(hào)之一,該鋼因具有較 高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限及疲勞強(qiáng)度,不僅在日本而 且在我國(guó)汽車鋼板彈簧制造業(yè)中均得到了廣泛應(yīng) 用.疲勞斷裂是彈簧鋼的主要失效形式之一.彈簧 鋼的疲勞性能主要取決于鋼材本身的強(qiáng)度和內(nèi)部缺 陷,包括夾雜物、偏析、白點(diǎn)等,此外鋼材表面質(zhì)量也 是影響彈簧鋼疲勞壽命的主要因素之一[１].

國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的 SUP１０鋼板彈簧總成在臺(tái)架 疲勞試驗(yàn)中,進(jìn)行到５．２８萬(wàn)次時(shí)發(fā)生早期斷裂失 效.該 鋼 板 彈 簧 的 加 工 制 造 流 程 為:下 料 → 矯 直→鉆孔→卷耳→切邊→包耳→淬火(成弧形)→ 回火→噴丸→ 裝 配 → 預(yù) 壓 縮 → 噴 漆 → 檢 驗(yàn) 入 庫(kù). 鋼板彈簧熱 處 理 工 藝 為:天 然 氣 加 熱 爐 加 熱 彈 簧 扁鋼至８５０ ℃,保溫３５~４５ min,油淬,淬火搖 擺 時(shí)間為３０s;回火溫度為４５０ ℃,回火時(shí)間為８０~１００min,水冷.為了分析其斷裂原因,并尋找防止 斷裂的預(yù)防 措 施,筆 者 對(duì) 斷 裂 鋼 板 彈 簧 取 樣 進(jìn) 行 了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀分析 

鋼板彈簧材料為 SUP１０鋼,按 GB/T１９８４４－ ２００５«鋼板彈簧»中附錄 A 規(guī)定的汽車用鋼板彈簧 臺(tái)架試驗(yàn)方法裝夾,如圖１a)所示.按主機(jī)廠要求: 在應(yīng)力幅為６５０MPa、最大應(yīng)力為１０５０MPa、頻率 ３Hz的 條 件 下 進(jìn) 行 垂 直 負(fù) 荷 下 的 臺(tái) 架 試 驗(yàn),經(jīng) 歷１２萬(wàn)次振動(dòng),鋼板彈簧不斷裂即為合格.某副鋼 板彈簧在臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行到５．２８萬(wàn)次出現(xiàn)斷裂,臺(tái)架 試驗(yàn)被迫提前終止.

該 鋼 板 彈 簧 總 成 為 ３ 片 簧,采 用 規(guī) 格 為 ２５mm×９０mm 的彈簧扁鋼加工制造而成,斷片片 序?yàn)榈冢称?斷裂位置距離中心孔１１０．６mm 處,如 圖１a)所示.斷裂起源于鋼板表層,如圖１b)所示. 

１．２ 斷口掃描電鏡及能譜分析

斷口經(jīng)酒精超聲波清洗后,使用 QUANTA４００ 掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察與分析.掃描電鏡下斷 口形貌見(jiàn)圖２,疲勞斷口低倍形貌見(jiàn)圖２a),貝紋線 放大形貌見(jiàn) 圖 ２b).疲 勞 斷 裂 源 位 于 試 樣 表 層 附 近,可觀察到灰色塊狀物和裂紋,見(jiàn)圖２c).對(duì)灰色 塊狀物進(jìn)行能譜(SED)分析,主要含有氧、鈣、鋁、 硅、鎂等元素,見(jiàn)圖３. 

１．３ 金相分析 

在斷裂源 部 位 取 截 面 試 樣,經(jīng) 鑲 嵌、打 磨、拋 光后采用 OLYMPUSPME３Ｇ３２３/μn光學(xué)顯微鏡進(jìn) 行觀察.斷 裂 起 源 部 位 的 表 層 可 觀 察 到 灰 色 物 質(zhì)———夾渣,夾 渣 處 有 裂 紋 向 基 體 內(nèi) 部 延 伸,見(jiàn) 圖４.對(duì)灰色物質(zhì)進(jìn)行能譜分析,含有氧、鈣、鋁、 硅、鎂、鐵等元素.

試樣經(jīng)３％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后再 在光學(xué)顯微鏡下觀察,基體顯微組織為回火屈氏體, 見(jiàn)圖５,為該鋼板彈簧正常淬回火熱處理組織.

１．４ 化學(xué)成分分析

在斷裂鋼板彈簧上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果見(jiàn)表 １.可 見(jiàn) 各 元 素 含 量 均 符 合 JIS G４８０１－ ２００５對(duì) SUP１０彈簧鋼成分的要求,有害元素硫和 磷的含量較低.

１．５ 力學(xué)性能試驗(yàn) 

將斷裂試樣剩余部分(遠(yuǎn)離斷口處)取樣加工成 ?１０mm 標(biāo)準(zhǔn)圓形拉伸試樣,在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表２.可見(jiàn)各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)均 符合JISG４８０１－２００５對(duì)SUP１０彈簧鋼的要求.

２ 綜合分析 

該鋼板彈簧的斷裂方式屬于疲勞斷裂,因此試 樣斷口上有明顯的貝紋線特征.由貝紋線的放射軌 跡線和弓出方向,可確定疲勞裂紋源位于圖１b)中 箭頭所指的鋼板彈簧表層[２Ｇ３],產(chǎn)生于疲勞源處的細(xì) 小裂紋不斷向周圍擴(kuò)展,在后期擴(kuò)展較快,斷口上因 此出現(xiàn)了裂紋迅速擴(kuò)展的放射狀軌跡線. 

由斷口及金相分析結(jié)果均可知,鋼板彈簧斷裂源 處存在塊狀灰色物質(zhì),即夾渣.該夾渣的存在使得扁 鋼變脆,在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,該處由于應(yīng)力集中 首先產(chǎn)生微裂紋[４].鋼板彈簧在工作狀態(tài)下承受沖 擊、振動(dòng)或交變應(yīng)力等復(fù)雜工況,在鋼基體與夾雜物 接觸點(diǎn)處易形成微裂紋,周期應(yīng)力作用下微裂紋不斷 擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鋼板彈簧疲勞斷裂.MURAKAMI等 得出鋼的疲勞強(qiáng)度與夾雜物尺寸的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下:夾 雜物尺寸越大,疲勞強(qiáng)度則越低;夾雜物越靠近材料 表面,對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響也越大[５Ｇ６]. 

由能譜分析結(jié)果可知,該夾渣主要為鋁酸鈣夾 雜、硅酸鹽類夾雜、鎂鋁尖晶石的脫氧產(chǎn)物(MgO?? CaO??Al２O３??SiO２),根據(jù)該夾渣的成分特點(diǎn)及復(fù)雜 組成,可判斷此類夾雜物主要為外來(lái)夾雜物,大多來(lái) 自鋼液與大包、中包、水口等接觸產(chǎn)生的二次氧化 物,也包括脫氧產(chǎn)物上浮不充分.此類夾雜物特點(diǎn) 有:組成復(fù)雜,一般為復(fù)合夾雜物;尺寸較大,一般超 過(guò)４０μm;來(lái)源廣泛,且多呈現(xiàn)偶然性分布,形狀規(guī) 律也不明顯[７Ｇ８]. 

研究結(jié)果表明:終點(diǎn)碳氧積為０．００２７,因此轉(zhuǎn) 爐出鋼碳含量越低,則初始氧含量越高,為保證鋼材 冶金質(zhì)量,則冶煉過(guò)程脫氧劑消耗量就越大,則相應(yīng) 生成的夾雜物就更多,增加了夾雜物去除的難度. 因此,為了保證較低的氧含量和較少的非金屬夾雜 物,硅含量較高的彈簧鋼冶煉時(shí)適宜選擇高拉碳出 鋼工藝[９Ｇ１０]. 

在溫度達(dá)１５００ ℃以上時(shí),精煉過(guò)程存在以下 平衡反應(yīng) 

因此使用碳含量較高的脫氧劑,如石灰,有利于 降低精 煉 渣 中 SiO２ 化 合 物 的 含 量.而 在 Al２O３Ｇ SiO２ＧCaO 精煉渣系中,減少 SiO２ 含量有利于減少 鋼液二次氧化,因?yàn)樵谠撊抵蠸iO２ 是最為活 潑的化合物,同時(shí)隨著渣中 SiO２ 含量的降低,可使 得精煉渣流動(dòng)性提高,便于夾雜物充分上浮并去除.

轉(zhuǎn)爐鋼渣中存在以下平衡反應(yīng)

式中:Y 為鋁、硅等脫氧元素. 

研究結(jié)果表明,在鋼液溫度、壓力一定的條件 下,其平衡常數(shù)為 

式中:a[O]和aFeO分別為 O 和 FeO 的活度. 

因此,降低渣中 FeO 含量有利于降低鋼中的氧 活度,從而減少鋼液的二次氧化.

３ 改進(jìn)措施與效果 

針對(duì)以上分析,該鋼廠進(jìn)行了在轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)由 低拉碳出鋼轉(zhuǎn)變?yōu)楦呃汲鲣?精煉過(guò)程中采用石 灰等碳含量較高的脫氧劑,轉(zhuǎn)爐內(nèi)采用鋁、硅等強(qiáng)脫 氧劑等工藝改進(jìn).實(shí)施改進(jìn)的冶煉工藝后,未再發(fā) 生由于彈簧扁鋼夾渣缺陷導(dǎo)致鋼板彈簧臺(tái)架疲勞試 驗(yàn)早期斷裂失效的情況. 

４ 結(jié)論 

(１)SUP１０鋼板彈簧在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生 早期疲勞斷裂主要是因?yàn)殇摬闹写嬖趭A渣缺陷. 

(２)夾渣主要為外來(lái)夾雜物,大多來(lái)自鋼液與 大包、中包、水口等接觸產(chǎn)生的二次氧化物,也包括 脫氧產(chǎn)物上浮不充分. 

(３)轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量越低,初始氧含量會(huì)越高, 高拉碳出鋼可降低鋼中的氧含量和非金屬夾雜物 含量. 

(４)降低爐渣中的SiO２ 含量,可使得精煉渣流動(dòng)性提高,便于夾雜物充分上浮并去除. 

(５)降低爐渣中 FeO 含量有利于降低鋼中的 氧活度,從而減少鋼液的二次氧化. 

(６)通過(guò)在轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)由低拉碳出鋼轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 拉碳出鋼,精煉過(guò)程中采用石灰等碳含量較高的脫 氧劑,轉(zhuǎn)爐內(nèi)采用鋁、硅等強(qiáng)脫氧劑等工藝的實(shí)施, 可避免由于彈簧扁鋼夾渣缺陷導(dǎo)致鋼板彈簧早期斷 裂失效的發(fā)生.

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