汽車鋼板彈簧斷裂的理化檢驗

汽車鋼板彈簧是汽車懸架應用最為廣泛的一種彈性元件，具有可靠性好、結構簡單、制作工藝流程短等優(yōu)點。汽車鋼板彈簧由若干片曲率半徑不同、長度不同、寬度相同的彈性鋼片疊加而成，在整體上近似等強度的彈性梁，具有減震和導向作用。某重型汽車鋼板彈簧在服役期間異常斷裂，導致車輛無法正常運行。對該斷裂鋼板彈簧進行一系列理化檢驗和分析，查明其斷裂原因并提出改進建議，以避免該類問題再次發(fā)生。

宏觀觀察

斷裂鋼板彈簧的材料為50CrVA 鋼，主要加工工序為：下料→校直→鉆孔→淬火+中溫回火→噴丸→裝配→噴漆→預壓縮。斷裂彈簧鋼片的宏觀形貌如圖1所示，可見斷裂發(fā)生在彈簧鋼片長度方向約1/4處，斷裂位于鋼板彈簧拉應力一側(裝配時向上)，彈簧鋼片表面可見明顯的擠壓、磨損痕跡，磨損處的彈簧鋼片厚度有所減薄，其余各部位有明顯的服役痕跡。

斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見斷口稍有不平，斷口上覆蓋有泥土和黃銹;清洗后可見斷口大致與彈簧縱向垂直，呈典型的疲勞斷裂特征，斷口上可見3處直徑為10~15mm的半圓形貝紋線，為疲勞源及疲勞擴展區(qū)，疲勞源位于彈簧拉應力一側的表面、寬度方向的中部位置，疲勞源及疲勞擴展區(qū)所占斷口面積較小，約占整個斷口的20%;其余呈放射狀的區(qū)域為瞬斷區(qū)，所占斷口面積較大，疲勞源對側表面可見明顯的剪切唇，為最后斷裂區(qū);斷口呈典型的多源低周高應力疲勞斷裂特征。

化學成分分析

采用直讀光譜分析儀對斷裂彈簧進行化學成分分析，根據(jù)結果可見斷裂彈簧的化學成分符合GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》的要求。

掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將斷口經(jīng)酒精超聲清洗后，用SEM 觀察，可見腐蝕產(chǎn)物堆疊，腐蝕凹坑大致呈半圓形，在腐蝕坑底部可見許多伴生的小腐蝕坑及多條裂紋(見圖3)。

對斷口表面的腐蝕凹坑及彈簧基體進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕凹坑處主要含有O，Al，Si，S，Ca，F(xiàn)e等元素，且腐蝕凹坑中的O，Si等元素含量明顯高于基體。

金相檢驗

斷裂彈簧鋼片縱向截面疲勞源側的金相分析如圖4所示。由圖4可知：疲勞源側表面部分有磨損現(xiàn)象，未磨損處原始表面可觀察到輕微的貧碳現(xiàn)象;表面可觀察到較多大致呈半圓形的腐蝕凹坑，凹坑底部較光滑，深度為0.05~0.15mm，凹坑附近組織無明顯的塑形變形痕跡，與基體組織無異;凹坑底部有裂紋，裂紋開口處較寬，尾部較尖銳，內(nèi)部有異物，擴展方向基本垂直于表面。斷裂彈簧基體的組織為稍粗大回火屈氏體(見圖5)。

綜合分析

由上述理化檢驗結果可知，斷裂彈簧的化學成分符合標準要求，經(jīng)過淬火+中溫回火后，彈簧組織為正常的稍粗大回火屈氏體，表明熱處理工藝正常。

從斷口的微觀形貌可知：在彈簧拉應力表面有多處大小不一致且呈半圓形的凹坑，凹坑底部較光滑，凹坑附近組織無明顯的塑形變形痕跡，表明凹坑為表面腐蝕凹坑，在凹坑的底部可見多條垂直于表面的裂紋。

從斷口的宏觀形貌可知：在斷裂彈簧拉應力表面可見3處直徑為10~15mm的半圓形貝紋線，該處為疲勞源及疲勞擴展區(qū)，疲勞源及疲勞擴展區(qū)所占斷口面積較小，約占整個斷面的20%，其他區(qū)域為瞬斷區(qū)，表明鋼板彈簧在服役過程中所受應力較大，斷口的性質為典型多源低周高應力疲勞斷裂;彈簧鋼片表面有明顯的磨損、擠壓痕跡，磨損處鋼片厚度有所減薄，說明彈簧鋼片之間發(fā)生磨損，導致表面漆膜脫落，新鮮的金屬光澤暴露在腐蝕介質中，又因為彈簧表面吸附了水或泥土，使彈簧表面形成了許多腐蝕凹坑。當腐蝕凹坑的拉應力超過材料的疲勞強度，便會在凹坑的底部萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。

結論與建議

鋼板彈簧斷裂的原因為：彈簧受到泥沙和雨水的侵蝕和污染，彈簧鋼片之間存在嚴重的摩擦，使彈簧表面產(chǎn)生腐蝕凹坑，凹坑底部存在疲勞裂紋，隨后在大應力作用下，彈簧發(fā)生斷裂。

建議鋼板彈簧在服役過程中進行定期維護，在彈簧鋼片之間加潤滑劑，在服役過程中盡量杜絕超載現(xiàn)象。同時采用富鋅漆作底漆，加噴面漆，以提高彈簧表面的耐腐蝕性能。