汽車懸架系統彈簧鋼60Si2MnA的斷裂失效分析*

韓曉威，楊曉彩，李　爽，戚翠芬

（1中鋼石家莊工程設計研究院有限公司 冶金分院，河北 石家莊050021；2河北工業職業技術學院 材料工程系，河北 石家莊050000）

1　前　言

中國作為汽車第一消費大國，不斷刷新全球的汽車產銷記錄。如此龐大的汽車需求市場，將顯著帶動汽車零部件行業的高速發展。彈簧是車輛懸架系統的重要組合部件，直接決定了車輛在行駛過程中乘客的舒適性和安全可靠性。而在行駛過程中，彈簧鋼會反復受到沖擊的彎曲應力、扭轉等交變應力，服役條件相當惡劣，這就要求其具有優良的綜合性能。彈簧鋼在承受各種載荷時容易發生破壞，提高彈簧鋼的性能、了解彈簧鋼的失效原因顯得尤為重要。本研究對車輛用彈簧鋼60Si2MnA在使用過程的失效方式進行分析，以期為生產高性能彈簧用鋼提供一定的理論依據[1-3]。

2　試驗材料和方法

試驗材料為某廠生產的熱軋彈簧線材60Si2MnA鋼，其主要化學成分如表1所示。試驗分析加熱溫度和加熱時間對鐵素體脫碳行為的影響，從而達到控制60Si2MnA的脫碳層厚度和改善其疲勞性能的目的［4］。

表1　試驗用60Si2MnA鋼化學成分 %

試驗過程以空氣為介質，用箱式爐加熱，加熱溫度選擇800～1 100℃范圍（以50℃為間隔），保溫60 min；試驗在850、950 ℃下分別保溫20、30、60、90 min，試樣在不同溫度下保溫不同時間后空冷，然后測定脫碳層厚度，試驗鋼加熱工藝見表2。

表2　試驗工藝參數及試樣編號

將試樣沿中心剖開后制成金相試樣，經4%硝酸酒精腐蝕后，在金相顯微鏡下進行觀察，在最深的均勻脫碳區的一個顯微視場內隨機測量5次，取其平均值作為脫碳層深度。

選定 2#、3#、4#、5#、6#試樣經過 850 ℃油淬、400℃回火保溫60 min后的試驗鋼按標準制成疲勞試樣，在EHF-EV050-20高低周疲勞試驗機上完成疲勞性能的檢測。在疲勞試驗中，發生疲勞斷裂的試樣利用SEM-EDS觀察試樣拉伸斷口及斷口夾雜物形貌，分析斷口夾雜物成分，找出斷裂的原因。

3　試驗結果與分析

3.1脫碳層變化規律

3.1.1加熱溫度對彈簧鋼脫碳層的影響

圖1是試驗鋼在不同加熱溫度下保溫60 min時脫碳層深度的變化規律。在800℃以上加熱后空冷，其室溫組織為珠光體和鐵素體，表面脫碳使含碳量急劇降低形成脫碳層。可以看出溫度從800℃到1 100℃時，試樣的脫碳層隨著溫度的升高而增加，當溫度達到1 000℃時試樣脫碳層厚度達到最大量，溫度再增加脫碳也不會更嚴重，這個溫度可以定義為脫碳敏感性溫度。當加熱溫度低時，氧化反應速率小于脫碳反應速率，脫碳層深度隨著加熱溫度的升高而增加。當加熱溫度高時，氧化反應速率大于脫碳反應速率，脫碳反應產生的脫碳層被部分氧化抵消掉，所以隨著溫度的升高脫碳層又開始下降。因此，隨著加熱溫度升高脫碳層增加，當達到一定溫度時，脫碳層厚度不再增加反而下降［5］。

圖1　不同加熱溫度保溫60 min的脫碳層形貌

3.1.2保溫時間對彈簧鋼脫碳層的影響

圖2是試驗鋼在850℃的加熱溫度下保溫30、60、90 min時的脫碳層深度的變化規律。圖3是試驗鋼在950℃的加熱溫度下保溫30、60、90 min時的脫碳層深度的變化規律。從圖中可以看出，隨著保溫時間的增加，脫碳層深度在增加，但增長速率在下降［6］。這是由于隨著時間的延長，碳原子有充足的時間與鋼表面的氧分子進行氧化反應，所以脫碳層在不斷增加。當保溫時間達到一定時，表面的碳原子都已經發生了脫碳反應，而離表面遠些的碳原子想要擴散到表面不太容易，所以氧化速率在下降，可以從圖中明顯地看出脫碳層相差不大。

圖2　850℃加熱、不同保溫時間的脫碳層形貌

圖3　950℃加熱、不同保溫時間的脫碳層形貌

3.2試驗鋼金相組織

試驗鋼熱軋態和調質態的顯微組織見圖4。熱軋態60Si2MnA的金相組織主要為珠光體+少量鐵素體，見圖4a。經過熱軋加工后珠光體組織變得細小，在隨后的熱處理中淬火后生成馬氏體，再經回火后生成回火索氏體，滲碳體片層間距減小，彈簧鋼的綜合性能達到最佳［7］，見圖4b。

圖4　試驗鋼的顯微組織形貌

3.3疲勞斷裂試樣的高倍分析

3.3.1斷口形貌

疲勞試驗完成后4#和5#試樣發生了疲勞斷裂，利用掃描電子顯微鏡觀察試樣斷口形貌（見圖5）。從圖5中可以看出，2個試樣斷口形貌基本一致，斷裂均起源于表面，斷口分為疲勞斷裂源區、擴展區和瞬斷區，試樣均存在明顯的疲勞斷裂源，斷裂源區覆蓋有氧化鐵，擴展區存在明顯的多條撕裂棱，說明斷裂過程中存在明顯的應力集中。擴展區微觀斷裂形貌為準解理斷裂，瞬斷區微觀斷裂形貌為韌窩斷裂。

3.3.2夾雜物

取斷口應力集中處進行夾雜物能譜分析，判定發生疲勞斷裂的原因。夾雜物形貌見圖6，能譜分析結果見表3。彈簧鋼發生疲勞斷裂的主要原因是試驗過程中的應力集中，而引起應力集中的主要原因是夾雜物。能譜分析結果表明，含Al、Ca、S的復合夾雜物降低了彈簧鋼的疲勞壽命，以夾雜物為裂紋源斷裂［8］。

4#和5#試樣發生疲勞斷裂一是由于夾雜物導致

圖5　疲勞斷裂試樣斷口微觀形貌

圖6　疲勞斷裂試樣應力集中處夾雜物形貌

表3　圖6裂紋源夾雜物能譜分析結果%

的，二是脫碳層也影響了其疲勞性能。

4　結　論

4.160Si2MnA鋼隨著加熱溫度的升高脫碳層厚度增加，當達到1 000℃時脫碳達到最大量。

4.260Si2MnA鋼隨著保溫時間的延長，脫碳層厚度增加，但增長速率在下降。

4.3采用950℃加熱溫度保溫60 min的熱軋態隨后進行熱處理，后得到的組織為粒狀的滲碳體和針狀鐵素體組成的回火屈氏體，其綜合性能最佳。

4.4彈簧鋼60Si2MnA在使用過程中發生的疲勞斷裂主要是由Al、Ca、S的復合夾雜物和脫碳層而造成的。