汽車用鋼板彈簧失效分析

張艷霞，王長朋,2，高立強，王茂川,2

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039；3.陸軍裝備部駐重慶地區第六軍代室，重慶 400042）

汽車鋼板彈簧是一種常見的彈性元件，廣泛應用于汽車懸架。鋼板彈簧是由許多具有彈性、寬度一致、長短不一的鋼片組成的彈性梁。鋼板彈簧的中部通過U型螺栓（又稱騎馬螺栓）固定在車橋上，其作用是通過懸掛的方式連接車架和車橋。鋼板彈簧裸露在車架與車橋之間，承受車輪對車架的沖擊、彎曲和振動載荷，通過吸收車輛動能，將動能轉化為彈性勢能，從而起到緩沖作用，保證車輛的平穩性和安全性[1-3]。疲勞斷裂是鋼板彈簧的主要斷裂形式，其疲勞性能主要取決于材料本身的強度、表面質量及內部缺陷，其失效斷裂模式主要有彎曲疲勞、接觸疲勞、腐蝕疲勞、過載斷裂等[4-6]。

某汽車用鋼板彈簧在路試過程中行使4.8萬千米后發生斷裂。鋼板彈簧選用材料為60Si2Mn，熱處理工藝為：850 ℃保溫45 min，油淬30 s后450 ℃回火，回火時間為70～90 min，水冷。60Si2Mn鋼是一種彈簧專用鋼，屬中碳合金鋼，熱處理工藝操作簡單，淬火后組織為板條馬氏體與片狀馬氏體的混合組織，回火后得到回火屈氏體組織，具有高的屈服強度和疲勞極限，是我國應用最普遍的合金彈簧鋼之一。其適用于鐵道車輛、汽車工業上承受較大負荷的扁形彈簧或螺旋彈簧；也適用于制作工作溫度在250 ℃以下、非腐蝕介質中的耐熱彈簧；還適用于在高應力下交變負荷工作的大型和重要的卷制彈簧及汽車減震系統等。文中對斷裂失效后的鋼板彈簧進行分析，找出其失效斷裂的原因，并提出相應的改進措施。

1 試驗內容

1）洛氏硬度測試。所用設備為HR-150A型洛氏硬度計，參照標準為GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》。

2）化學分析測試。所用設備為KDC-5B型碳硫儀和ICP分析儀，參照標準為GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應爐燃燒后紅外吸收法（常規方法）》和GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法》。

3）顯微組織分析及非金屬夾雜物評定。所用設備為Observer.A1m型顯微鏡，參照標準為GB/T 1222—2016《彈簧鋼》和GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》。

4）斷口形貌及能譜分析。所用設備為Quanta 200型環境掃描電鏡及INCA OXFORD能譜儀，對斷口形貌及微區成分進行分析。

5）拉伸性能測試。所用設備為MTS電液伺服材料試驗系統，參照標準為GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》。

2 試驗結果

2.1 宏觀分析

鋼板彈簧裂紋起始面及斷裂面的宏觀形貌如圖1所示?？拷鼣嗫谕獗砻娴姆雷o漆層完全剝落，表面銹蝕嚴重，呈黑褐色，表面存在較多平行于斷面的微裂紋，其中，有些位置的微裂紋較密集。斷口銹蝕嚴重，呈黑褐色，多源起裂，存在較多裂紋擴展形成的疲勞臺階紋，疲勞擴展區約占斷面的80%，快速斷裂區占20%。

圖1 樣品及斷口宏觀形貌 Fig.1 Macro-appearance of fracture sample: a) overal of leaf spring (the circle in figure a); b) surface near the fracture; c) fracture

2.2 材質分析

將樣品表面的腐蝕產物層打磨后，鉆取鐵屑對基體材質進行分析。檢測結果可知，基體的化學成分符合GB/T 1222—2016《彈簧鋼》的要求，結果見表1。

表1 化學成分分析結果 Tab.1 Chemical composion test results

2.3 力學性能分析

根據GB/T 228.1—2010要求，從基體中取標準拉伸試樣進行拉伸試驗，拉伸試樣分別標記為拉伸件1#、拉伸件2#、拉伸件3#。由表2的檢測結果可知，試樣的拉伸性能滿足GB/T 1222—2016《彈簧鋼》的要求。

表2 拉伸試驗檢測結果 Tab.2 Mechanical performance testing results

從基體中取標準硬度試樣進行洛氏硬度測試，硬度試樣分別標記為硬度樣1#、硬度樣2#，每件硬度樣測試三個硬度點。由表3的測試結果可知，試樣硬度值滿足產品的技術要求。

表3 硬度測試結果 Tab.3 Hardness test results

2.4 斷口分析

斷口形貌記錄了金屬斷裂的全過程，包括裂紋萌生、擴展直至斷裂過程中的各種信息。裂紋源形貌如圖2所示，斷口裂紋存在多點起裂，裂紋源處有多個臺階紋，說明存在應力集中。裂紋源處存在表面圓滑的腐蝕坑缺陷，疲勞裂紋在腐蝕坑底部萌生并擴展，導致裂紋源處腐蝕嚴重，表面被腐蝕產物層覆蓋。疲勞裂紋擴展區如圖3所示，為準解理特征，疲勞裂紋擴展區占斷面面積80%以上，為高周疲勞開裂。瞬斷 區如圖4所示，為韌窩和撕裂的韌性斷裂。斷口外表面形貌如圖5所示，表面被厚厚的腐蝕產物層覆蓋，局部存在腐蝕坑及微裂紋，微裂紋縱深擴展，裂紋開口處存在明顯的基體腐蝕剝落現象。

圖2 樣品斷口裂紋源微觀形貌 Fig.2 Fracture micro topography of crack sauce area: a) low magnification; b) partially enlarged

圖3 樣品斷口疲勞裂紋擴展區微觀形貌 Fig.3 Fracture micro topography of fatigue crack expansion area: a) low magnification; b) partially enlarged

圖4 樣品斷口瞬斷區微觀形貌 Fig.4 Fracture micro topography of instantaneous fracture area: a) low magnification; b) partially enlarged

圖5 樣品斷口外表面微裂紋形貌 Fig.5 Micro-crack morphology on the outer surface of sample fracture: a) low magnification; b) partially enlarged

2.5 非金屬夾雜物評定

基體中非金屬夾雜物是煉鋼過程中，少量爐渣、耐火材料及冶煉反應物進入鋼液中形成的，非金屬夾雜物的存在一定程度破壞了材料的連續性和完整性，是有害物質。根據非金屬夾雜物的不同形狀及顏色差異，分為A類（硫化物類）、B類（氧化鋁類）、C類（硅酸鹽類）、D類（球狀氧化物類）、Ds類（單顆粒球狀類）；根據不同種類非金屬夾雜物的寬度，分為細系、粗系。非金屬夾雜物評定級別為0～3級，級別控制越低，說明材料中非金屬夾雜物控制越好。對非金屬夾雜物進行評定，取樣位置符合GB/T 10561— 2005，檢測結果見表4。由表4可知，鋼板彈簧中非金屬夾雜物的含量符合60Si2Mn材料的技術要求。

表4 非金屬夾雜物評定結果 Tab.4 Non-metallic inclusion test results

2.6 金相分析

對垂直表面微裂紋取樣進行觀察。如圖6所示，在2個位置存在深淺不一的腐蝕坑。腐蝕坑表面粗 糙，存在腐蝕產物層，深度約為180 μm；內壁凹凸不平，腐蝕坑內填充灰色腐蝕產物；靠近壁部的腐蝕產物相對致密；在外層的腐蝕產物相對疏松，呈層片狀并存在脫離剝落現象。在腐蝕坑底部，裂紋萌生并向縱深擴展，裂紋開口寬、尾部窄，裂紋內部填充灰色致密腐蝕產物，表明裂紋在擴展過程中兩側基體同步發生腐蝕。

在裂紋源處取樣并進行觀察。結果如圖7所示，裂紋源附近表面存在類似圖6中的腐蝕坑，在腐蝕坑底部存在腐蝕裂紋，裂紋長度約為1.3 mm，裂紋擴展方向平行于斷口方向。

圖6 表面微裂紋處腐蝕形態 Fig.6 Corrosion form at surface microcracks: a) corrosion pit at location 1; b) corrosion pit at location 2

圖8、圖9顯示了樣品經4%硝酸酒精溶液侵蝕后的金相組織形貌。可以看到，基體表面存在半脫碳現象，腐蝕坑處存在部分基體腐蝕剝落，表現為輕微脫碳。裂紋兩側未發現脫碳現象，說明裂紋為后期出現，裂紋無沿晶或分叉現象，排除淬火裂紋可能，其腐蝕形態如圖7所示。樣品基體的金相組織為：回火托氏體+少量鐵素體，是彈簧鋼中溫回火后的正常組織。

圖7 裂紋源處腐蝕形態 Fig.7 Corrosion form at crack source: a) low magnification; b) partially enlarged

圖8 裂紋源處金相組織 Fig.8 Metallographic structure of crack sauce: a) low magnification; b) partially enlarged

圖9 基體金相組織 Fig.9 Metallographic structure of matrix

2.7 能譜分析

3 分析與討論

對板簧表面的腐蝕坑進行能譜分析（如圖10、圖11所示），腐蝕產物成分主要為O、Fe、Si、Ca等元素，說明腐蝕產物主要為鐵的氧化物，無S、Cl等高活性元素。

圖10 腐蝕產物成分能譜分析圖片 Fig.10 Energy spectrum analysis picture of corrosion product composition

圖11 腐蝕產物成分能譜分析譜圖 Fig.11 Energy spectrum analysis spectrogram of corrosion product components

構件在波動應變或交變載荷作用下，構件表面應力集中處組織結構容易產生不均勻滑移，形成早期疲勞裂紋[7-9]。材料的疲勞壽命取決于疲勞裂紋萌生之 前的使用周期，而零件表面的應力集中點或者表面缺陷（表面凹坑、表面機加刀痕、表面劃傷、表面折疊裂紋等）是疲勞裂紋萌生的最大誘因，尤其是對于高強度材料，表面缺陷更容易誘發早期疲勞裂紋的萌生[10-12]。疲勞斷裂分為三個階段，一是微觀裂紋階段，即早期疲勞裂紋萌生階段；二是宏觀疲勞裂紋擴展階段；三是瞬時斷裂階段。其中，微觀裂紋階段是疲勞斷裂最重要的環節。影響疲勞裂紋萌生的主要因素有材料本身特性和零件使用工況[13-15]。

上文對失效后的鋼板彈簧進行了一系列分析，材料本身的特性分析表明，材料成分符合60Si2Mn標準要求，基體的金相組織為彈簧鋼正?；鼗鸾M織，材料力學性能滿足標準要求，表面存在半脫碳現象。零件工況分析表明，零件長期暴露在惡劣的路試環境下工作，表面容易吸附外界泥水及環境中的腐蝕性介質。同時在板簧工作過程中，簧片間產生不同方向的運動摩擦，造成彈簧片間的溫度升高。在摩擦和高溫的共同作用下，局部接觸面的防護漆層剝落。在腐蝕介質的作用下，局部表面產生腐蝕現象，表面出現腐蝕坑及腐蝕微裂紋。因此，腐蝕的前提是簧片間的相互摩擦導致表面漆層脫落。表面出現腐蝕坑及腐蝕裂紋后，形成早期疲勞源，在受到的外力超過材料在疲勞源處的疲勞極限后，疲勞裂紋在疲勞源處萌生，并發生高周疲勞斷裂。綜合以上分析可知，本次斷裂失效與兩個因素都相關，最主要原因是簧片的異常摩擦為后期腐蝕提供了條件，另外表面存在半脫碳現象，表面脫碳層的硬度及強度達不到規定要求，導致表面疲勞抗力及耐腐蝕性能降低[16-18]。

本失效板簧片斷裂位置表面布滿黑褐色腐蝕產物層，此區域漆層完脫落，基體裸露在外，說明簧片在運行過程中摩擦嚴重。裸露的基體在惡劣環境下，表面容易吸附泥漿或者水膜，尤其是上表面吸附的泥漿或水膜不容易掉落，在潮濕環境下形成腐蝕原電池，先發生表面點蝕，進而形成均勻腐蝕現象。表面點蝕坑出現后，在點蝕坑底部導致應力集中效應，同時板簧在工作過程中受彎曲應力，下表面受拉應力，當點蝕坑底部的拉應力超過材料的疲勞極限后，疲勞微裂紋在此處萌生。因此，早期微裂紋是表面拉應力和點蝕坑底部應力疊加的結果[19]。

板簧片間的磨損是腐蝕發生的前提條件，而腐蝕環境中存在腐蝕介質是發生電化學腐蝕的必要條件。根據腐蝕產物能譜分析結果可知，腐蝕產物成分主要為O、Fe、Si、Ca等元素，腐蝕產物主要為鐵的氧化物。因此推斷材料的腐蝕機理為：板簧基體表面附著泥水，泥水中溶有大氣中的O2、CO2等氣體，板簧基體中的Fe作為陽極，發生電化學腐蝕，生成鐵的氧化物[20]。

本失效板簧樣品表面微裂紋主要分布在斷裂區域，分布相對較集中，主要受到表面應力分布的影響，在早期疲勞裂紋形成后，其擴展速率受應力的影響較大。在應力較大區域，裂紋較密集且擴展速率較快，板簧斷面疲勞裂紋擴展區占斷面面積的80%以上，說明疲勞裂紋擴展時間較長。在疲勞裂紋擴展過程中，名義應力水平較低，處于材料的疲勞極限范圍內，是典型的高周疲勞斷裂。

4 結論

1）鋼板彈簧的斷裂主要是在以下因素的共同作用下發生的。第一，鋼板彈簧表面出現腐蝕坑及腐蝕微裂紋缺陷，表面缺陷的出現加劇了板簧表面的應力集中現象，加速了早期疲勞裂紋的萌生；第二，表面存在脫碳現象，導致表面硬度及強度降低，表面耐腐蝕性能下降，為早期疲勞裂紋的萌生創造了條件。

2）鋼板彈簧表面出現腐蝕坑及腐蝕裂紋的原因是由于使用過程中板簧表面存在異常磨損，導致局部防護漆層脫落，裸露的金屬基體在泥水環境下出現腐蝕坑，并在腐蝕坑處萌生腐蝕裂紋。

5 改進措施及效果

1）改善鋼板彈簧熱處理質量，避免簧片表面出現脫碳現象，保證表面的耐腐蝕性能及抗疲勞斷裂能力。

2）嚴格控制鋼板彈簧的安裝精度及裝載方式，避免簧片間異常接觸導致漆層脫落；做好定期維護保養，在簧片間加石墨潤滑劑，防止長時間在工作中干磨或擠壓碰撞導致漆層過早脫落；定期對鋼板彈簧進行清洗、去污、去泥，防止腐蝕介質長期附著在基體表面導致腐蝕；定期檢查鋼板彈簧外觀，及時發現腐蝕或開裂的簧片，并進行更換。

3）通過改進熱處理工藝，有效控制了表面的脫碳現象；通過改善安裝加載方式，定期保養、清理泥水等，有效杜絕了表面漆層脫落。在后期路試過程中，未出現鋼板彈簧腐蝕疲勞斷裂情況。