后螺旋彈簧斷裂失效分析

陳磊，龐院，高朝乾

(吉利汽車研究院有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

螺旋彈簧作為汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分，在車輛的行駛過程中起著緩沖和減震的作用,對車輛的安全性與平穩(wěn)性起著至關(guān)重要的作用。彈簧在工作時(shí)往復(fù)壓縮，受到周期性的交變應(yīng)力，彈簧受力狀況復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)早期斷裂失效，因此很有必要對提高彈簧的疲勞壽命進(jìn)行研究[1-2]。

某汽車公司進(jìn)行底盤強(qiáng)化循環(huán)試驗(yàn)，經(jīng)過120個(gè)循環(huán)試驗(yàn)后，彈簧沒有出現(xiàn)異常，滿足疲勞壽命的要求。隨后進(jìn)行至135循環(huán)(增加15循環(huán))時(shí)后螺旋彈簧發(fā)生斷裂。為了提高產(chǎn)品的疲勞使用壽命，針對彈簧的斷裂原因進(jìn)行了化學(xué)成分分析、硬度分析、斷口分析、金相組織分析、夾雜物分析，以找出斷裂的原因。

1 彈簧生產(chǎn)工藝

材料牌號SAE9254，直徑φ14.0 mm。彈簧的生產(chǎn)工藝流程如下：冷卷→打磨→去應(yīng)力退火→拋丸處理→立定處理→負(fù)荷測試→表面處理→包裝。

2 檢測內(nèi)容與結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

從彈簧(SAE9254)斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1,測試結(jié)果滿足技術(shù)條件的要求，彈簧化學(xué)成分合格。

表1 后螺旋彈簧化學(xué)成分測試(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2 硬度

在后螺旋彈簧斷裂附近取樣進(jìn)行硬度測試，硬度的測試結(jié)果為52.5HRC、53.5HRC、54HRC,符合51～56HRC的技術(shù)要求，彈簧硬度合格。

2.3 斷口分析

2.3.1 宏觀斷口分析

后螺旋彈簧在第二圈處斷裂，由于運(yùn)輸存放的原因，斷口表面出現(xiàn)紅銹。在圖1中 A區(qū)(擴(kuò)展區(qū))存在明顯的貝紋線，從貝紋線的擴(kuò)展方向(圖1箭頭所示)來看，裂紋源起源于彈簧表面；B區(qū)是瞬斷區(qū)，從整個(gè)斷口面積來看，疲勞擴(kuò)展區(qū)較少，而瞬時(shí)斷裂區(qū)較大，說明該彈簧最后斷裂時(shí)承受了較大的應(yīng)力；同時(shí)在C區(qū)能看到呈臺(tái)階疲勞條帶，說明裂紋源不只一處[3]。綜合宏觀斷口分析，初步判定為多源疲勞斷裂。

圖1 后螺旋彈簧宏觀斷口形貌

2.3.2 微觀斷口分析

將斷口表面清洗除銹后在掃描電鏡下做微觀分析顯示：在彈簧表層存在明顯的由于噴丸處理引起的表面塑形變形的痕跡，表面存在明顯折疊缺口，如圖2虛線框處所示，折疊的長度大約50 μm。折疊的產(chǎn)生來至于兩個(gè)方面：(1)線材改制拉拔過程中原材料的表面缺陷；(2)在強(qiáng)力噴丸過程中產(chǎn)生[4]。對近表層進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)有塊狀物質(zhì)，在塊狀物質(zhì)周圍存在明顯的二次裂紋，見圖3。微裂紋會(huì)在夾雜物上進(jìn)行形核，隨后聚合、長大、擴(kuò)展，導(dǎo)致材料斷裂。對塊狀物進(jìn)行EDS(Energy Disperse Spectroscopy)分析，見圖4，“Fe”元素可能是因?yàn)槌P不徹底而存在的，推測夾雜物是由Al2O3、SiO2、CaO等組成的復(fù)合夾雜物。擴(kuò)展區(qū)能觀察到明顯的疲勞輝紋[5]，見圖5。更進(jìn)一步說明斷裂類型為疲勞斷裂。

圖2 表層微觀形貌

圖3 近表層微觀形貌

圖4 圖3的EDS分析

圖5 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

2.4 金相組織

對后螺旋彈簧斷裂件取樣開展表面脫碳層、金相組織分析，檢測結(jié)果如下：

(1) 表面無明顯脫碳，見圖6，符合表面脫碳層深度不大于14 μm 的技術(shù)要求；

(2) 芯部橫截面組織為保持馬氏體位相的回火屈氏體組織，見圖7，符合金相組織的要求；

(3) 芯部縱截面組織存在明顯的帶狀組織，見圖8，帶狀組織的出現(xiàn)會(huì)使彈簧出現(xiàn)各向異性，并對力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響；同時(shí)存在明顯的黑色的偏析帶[6]，見圖8虛線方框內(nèi)所示。

圖6 表面脫碳層100×

圖7 基體組織 500×

圖8 芯部縱截面組織 100×

2.5 非金屬夾雜物分析

對斷裂螺旋彈簧縱向取樣開展非金屬夾雜物分析，結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知：斷裂彈簧的非金屬夾雜物符合技術(shù)要求，但A類夾雜偏多(見圖9)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有金黃色的氮化物夾雜物(見圖10)。夾雜物的存在會(huì)破壞材料的連續(xù)性，造成應(yīng)力集中、韌性下降，導(dǎo)致零部件的使用壽命降低[7]。

表2 非金屬夾雜物測試

圖9 A類非金屬夾雜 100×

圖10 非金屬夾雜 500×

2.6 實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)模擬

現(xiàn)場抽取4件開展臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，螺旋彈簧疲勞耐久50萬次未出現(xiàn)斷裂，符合設(shè)計(jì)值50萬次不斷裂的要求，試驗(yàn)追加至58.5萬次時(shí)發(fā)生斷裂。與強(qiáng)化耐久實(shí)驗(yàn)一樣，120個(gè)循環(huán)不斷裂，追加至135個(gè)循環(huán)時(shí)發(fā)生斷裂。彈簧的工藝制造能滿足設(shè)計(jì)要求，但是超過疲勞壽命后斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 結(jié)論

(1)螺旋彈簧材料SAE9254化學(xué)成分、硬度及脫碳層深度的控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)；

(2)彈簧斷裂源起源于表面的折疊裂紋，原材料的夾雜物特別是A類夾雜物的偏多加速裂紋的擴(kuò)展；同時(shí)材料存在明顯的偏析與帶狀組織，使彈簧各向異性，降低了使用壽命，導(dǎo)致彈簧的多源疲勞斷裂；

(3)從整車耐久和抽樣疲勞耐久試驗(yàn)結(jié)果看來，螺旋彈簧均是在產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求后短時(shí)間內(nèi)便發(fā)生了失效，說明如果彈簧在原材料質(zhì)量或后續(xù)加工工藝等方面管控不當(dāng)?shù)脑挘赡軙?huì)使螺旋彈簧在使用過程中出現(xiàn)提前斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

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