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1 引言
钢板弹簧,又称叶片弹簧,是汽车悬架的重要组成部件,主要用于载重汽车及大客车的前后悬架上。汽车行驶的平顺及操纵稳定性均受到钢板弹簧的影响。钢板弹簧在汽车行驶时受交变应力的作用,疲劳断裂是常见的失效形式。断裂钢板弹簧材料为60CrMnA,经850～870°C加热淬火,440～460°C回火,喷水冷却,表面喷丸处理(采用0.8～1.2mm铸钢丸,以4m/s速度喷射)。对成品进行疲劳试验,3万次后断裂,而设计寿命要求达6万次。
2 试验方法及结果
2.1 宏观分析
从断裂钢板弹簧的宏观形貌可知,断口具有疲劳断裂的特征,疲劳源位于受拉应力的一侧,裂源处有多条台阶条纹由表及里扩展,见图1。这种台阶条纹反映了疲劳源处存在应力集中。图1 钢板弹簧断口宏观形貌
2.2 扫描电镜断口分析
用XL-30扫描电镜观察断口,低倍下可观察到裂纹源形成于弹簧表面的凹坑处,断口上有多个疲劳源,裂源处有多条放射状台阶条纹,见图2和图3。在断口裂纹扩展区可观察到疲劳辉纹,见图4。
2.3 化学分析
在失效钢板弹簧上取样进行化学成分分析,结果符合标准,见表1。
2.4 金相检验
在裂源处取金相试样,显微镜下观察,其显微组织为回火屈氏体,在裂源附近的表面有数条微图2 裂源处断口SEM图象 25×图3 裂源处断口SEM图象 59×图4 裂纹扩展区断口SEM图象 1000×表1 钢板弹簧成分分析结果(w/%)元素CSiMnPSCr实测值0.620.230.840.0250.0120.7960CrMnA标准值0.56～0.640.17～0.370.70～1.00<0.030<0.0300.70～1.00裂纹,这些裂纹主要起始于表面呈尖角的弹丸坑底部,见图5;弹簧表面及裂源附近有脱碳现象,见图5和图6;弹簧表层显微组织由于喷丸应力作用而发生变形。图5 断口附近显微组织 500×图6 断口附近显微组织及微裂纹 200×
2.5 硬度检验
用显微硬度计测量失效弹簧心部和表面脱碳层区的硬度(HV),不同部位各测3点,结果列于表2。表2 钢板弹簧显微硬度测量结果HV部位测量值心部440 455 464表面脱碳区270 285 320
3 分析与讨论
由断口分析可知,钢板弹簧属疲劳断裂。从疲劳区和瞬断区的面积看,疲劳区面积大于50%,说明钢板弹簧在工作应力作用下裂纹扩展较深,名义应力并不高,但在裂源处却有多条台阶条纹。在疲劳断口上出现多条台阶条纹则表明有应力集中存在。当表面存在缺口、凹坑、尖角等缺陷时就可能产生应力集中而形成台阶条纹,且出现多个源疲劳。对弹簧表面观察的结果表明,弹簧表面存在较多喷丸形成的凹坑,有些凹坑呈尖角状。断口分析和金相剖面分析结果均表明疲劳裂纹起始于凹坑底部,并检测到多处疲劳源和裂纹。金属疲劳裂纹的形成主要是由于在交变载荷应力作用下(通常为拉应力),在金属表面产生不均匀的滑移,因此裂纹常产生在构件的表面,所以构件的表面状态对疲劳强度影响很大。表面质量包括表面残余应力和表面粗糙度。表面损伤如刀痕、凹坑、缺口等,这些缺陷处易产生应力集中,使疲劳强度下降。一般认为钢的强度越高,对缺口敏感性越大。对高强度钢的零件采用喷丸处理是提高疲劳强度的有效手段,其作用不仅使表面产生残余压应力,而且可以消除表面缺陷,降低缺口应力集中系数和材料对缺口的敏感度。喷丸处理对于提高承受弯曲载荷和扭转载荷的零件的疲劳抗力最为有利。但在不当的喷丸条件下,如喷丸过度,当丸粒变形严重和形状不圆整时,或在太高的喷射压力等不当的条件下就可能造成表面损伤,降低材料的疲劳极限[1]。本例分析的失效弹簧,其表面质量较差,弹坑较大,说明喷丸处理未达到消除表面缺陷作用,相反由于喷射压力太大,使表面局部区域形成的弹坑过大,这种弹坑往往成为应力集中点。断口分析结果证明一处最大的疲劳源的凹坑尺寸长2mm,深0.5mm。金相剖面检查结果也证明疲劳裂纹起始于凹坑。根据试样中检测到的凹坑形状呈尖角状,其凹坑处的应力集中系数可达2～3[2],疲劳强度将明显降低。现场调查结果,正常采用的钢丸为0.8～1.2mm小圆球,但实际上有许多弹丸不圆整和变形严重,并有很多长条状不圆整的丸粒夹在其中,图6中的裂纹其裂源处的凹坑实际上就是不规则形状的弹丸造成的弹坑。表面脱碳是引起疲劳断裂的另一原因,铁素体组织硬度低,强度也低,将显微硬度测量值换算成强度值[3],正常心部回火屈氏体440～464HV,强度可达1460～1600N/mm2,而脱碳区硬度为270～320HV,其强度为890～1005N/mm2。表面脱碳层区的强度下降约500N/mm2。
4 结论
(1)汽车钢板弹簧断裂属于早期疲劳断裂失效。引起疲劳失效的主要原因是由于喷丸工艺控制不当,使弹簧表面留下的弹坑过大和过深,且形成呈尖角的弹坑,弹坑的底部成为应力集中区而形成疲劳源。
(2)弹簧表面局部有脱碳现象,脱碳层降低了材料的疲劳强度。
(3)根据分析结论,采取严格控制喷丸工艺,对弹丸的来料进行筛选和控制脱碳现象等措施,使弹簧的疲劳寿命得到明显提高,未产生类似的早期疲劳断裂现象。
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