夏 彪,王 磊

(南京依維柯汽車有限公司,南京 ２１１８０６)

摘要:某汽車在可靠性道路試驗(yàn)中,前橋橫置板簧發(fā)生了斷裂.通過宏觀分析、微觀分析、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)等方法,對板簧的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:板簧表面存在由噴丸工藝不當(dāng)引起的微小折疊缺陷,折疊部位存應(yīng)力集中,為疲勞裂紋萌生創(chuàng)造了條件,在可靠性道路試驗(yàn)時,板簧處于反復(fù)交變彎曲載荷作用下,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致板簧發(fā)生了疲勞斷裂.

關(guān)鍵詞:板簧;噴丸工藝;折疊缺陷;裂紋;疲勞斷裂

中圖分類號:TG１５７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０７Ｇ０５１２Ｇ０３

目前歐系商用車的前橋正在向具有橫置板簧的結(jié)構(gòu)形式發(fā)展,此結(jié)構(gòu)形式前橋與傳統(tǒng)前橋相比質(zhì)量減輕３％~７％,承載能力提升６％,具有制動性能優(yōu)良及便于維修等優(yōu)點(diǎn).橫置板簧前橋由橫置板簧、雙叉臂式擺臂總成、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及輪轂等零部件構(gòu)成,其中橫置板簧主要作用是儲存能量和減輕震動,是該系統(tǒng)中的重要零件,其作為彈性元件受力最為復(fù)雜多變且工作環(huán)境惡劣,因此對板簧質(zhì)量的要求較高.某汽車在可靠性道路試驗(yàn)中,完成試驗(yàn)里程的８１．９％時,前橋橫置板簧發(fā)生斷裂失效.該板簧采用５０CrVA 鋼加工制造而成,主要生產(chǎn)工藝為:下料→矯直→軋制→打彎→淬火→回火→噴丸→電泳等[１].現(xiàn)場勘查道路試驗(yàn)條件,載荷、道路狀況等均滿足試驗(yàn)要求.將前橋拆解后,檢驗(yàn)擺臂、彈性墊塊等與板簧連接的零部件,均滿足圖紙或技術(shù)文件要求.為找出該橫置板簧斷裂的原因,筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

板簧斷裂處位于一端頭部,如圖１所示.宏觀觀察可見,板簧斷口較為平整,為灰白色,呈現(xiàn)典型疲勞斷口形貌,如圖２所示.疲勞源位于板簧受拉表面中間部位,該處存在淡黃色的銹蝕特征,這與裂源處開裂較早相關(guān).疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)處貝紋線清晰可見,瞬斷區(qū)具有明顯放射花樣[２].裂紋源區(qū)與疲勞擴(kuò)展區(qū)在斷口面占比較小,表明材料在瞬斷時承受較大的沖擊載荷,與滿載的試驗(yàn)條件相符.

１．３ 化學(xué)成分分析

用固定式全譜直讀光譜儀分析板簧的化學(xué)成分,結(jié) 果 見 表 １,可 見 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T１２２２－２０１６«彈簧鋼»對５０CrVA 鋼成分的要求.

１．４ 硬度測試

經(jīng)測試板簧中心部位硬度為４７HRC,符合技術(shù)要求(４５~５０HRC).技術(shù)要求中,為檢測脫碳層的影響,保證表面具有合適性能,采用硬度法測量距表面２mm 處的硬度,要求其大于距表面５mm 處硬度的８０％,實(shí)測距表面２mm 處硬度為４７１HV０．２,距表面５mm 處硬度為４８６HV０．２,可見表面脫碳情況亦符合技術(shù)要求。

１．５ 金相檢驗(yàn)

從斷裂源處取樣,磨 制、拋 光、浸 蝕 后 在 金 相顯微鏡下觀察,如圖４所 示.疲 勞 源 及 其 附 近 表面 均 出 現(xiàn) 金 屬 的 變 形 和 各 種 形 態(tài) 的 折 疊 紋 和 凹坑,如圖４a)所示,微裂紋沿凹坑底部或折疊紋尾端向中 心 垂 直 擴(kuò) 展,由 此 可 見 裂 紋 源 自 折 疊 尾部.板 簧 表 面 有 部 分 脫 碳,脫 碳 層 深 度 約為０．２５ mm.

板簧經(jīng)８５０ ℃淬火＋４６０ ℃回火熱處理后,其顯微組織為回火屈氏體＋少量鐵素體,中心部位組織由于成分的不均勻,呈現(xiàn)出沿軋制方向分布的條帶狀組織形貌,如圖４b)所示,該組織為淬火＋中溫回火后正常組織.

部分回火屈氏體保留板條馬氏體位向,測量板條束長度約２０μm,未見晶粒異常長大現(xiàn)象,表明實(shí)際熱處理工藝符合規(guī)范.

２ 分析與討論

現(xiàn)場勘查各試驗(yàn)條件及拆解前橋連接各零部件,經(jīng)檢驗(yàn)均滿足技術(shù)文件或圖紙要求.從斷裂板簧理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,斷裂板簧材料的化學(xué)成分、硬度、脫碳層和顯微組織等均符合相關(guān)技術(shù)要求.觀察板簧斷口可知此斷裂為典型多源高應(yīng)力疲勞斷裂,板簧表面存在因噴丸過噴引起的折疊缺陷,裂紋源位于折疊缺陷底部.從金屬疲勞過程分析,在交變載荷作用下金屬局部將發(fā)生多系和單系滑移,金屬表面不只形成滑移臺階,而且會形成駐留滑移帶缺陷,這種駐留滑移帶中各種晶體缺陷高度密集,使金屬晶體原子之間的結(jié)合鍵遭到極大破壞,從而萌生疲勞裂紋[４].裂紋源主要集中在金屬表面上,所以零件的表面狀態(tài)對疲勞極限的影響很大.板簧表面采用噴丸工藝,其目的是提高表面疲勞極限,一般情況下通過噴丸處理,板簧表面產(chǎn)生強(qiáng)化層,改變了表面內(nèi)應(yīng)力分布,使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,從而降低交變載荷下表面的拉應(yīng)力,疲勞裂紋不易產(chǎn)生和擴(kuò)展,能有效提高表面疲勞極限.但噴丸工藝控制不當(dāng),如噴丸過度,就可能使噴丸后板簧表面過度變形而產(chǎn)生折疊紋,反而降低疲勞極限.從斷裂板簧的掃描電鏡和金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,噴丸表面出現(xiàn)密集、呈網(wǎng)絡(luò)狀的折疊紋和凹坑,說明板簧表面噴丸過度.推理可知板簧斷裂過程:由于板簧噴丸表面存在大小不等、形態(tài)各異的折疊紋和凹坑,使該部位存在應(yīng)力集中,在道路試驗(yàn)過程中的反復(fù)應(yīng)力作用下,折疊紋底部成為疲勞裂紋源,此處較易形成駐留滑移帶,并隨應(yīng)力反復(fù)變化萌生微裂紋,然后逐漸擴(kuò)展,形成較平坦的疲勞擴(kuò)展區(qū),隨著斷裂區(qū)的擴(kuò)大,剩余截面不斷減小,當(dāng)擴(kuò)展至某一階段時,板簧在較大沖擊載荷下失穩(wěn),裂紋快速發(fā)展導(dǎo)致瞬間斷裂.

３ 結(jié)論及建議

汽車前橋橫置板簧斷裂的主要原因是,噴丸表面存在較多且密集的折疊紋,折疊紋底部應(yīng)力集中,在滿載的惡劣路況條件下,折疊紋處成為疲勞裂紋源,在反復(fù)交變彎曲載荷作用下,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致板簧發(fā)生疲勞斷裂.建議改善噴丸工藝,調(diào)整噴丸強(qiáng)度、噴丸時間等參數(shù),避免產(chǎn)生過噴而出現(xiàn)折疊缺陷.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊>2019年>7期> pp.512）