汽车板簧 (2)

汽车板簧失效分析

1.汽车板簧的材质选择

板簧是汽车悬架系统中的重要部件，工作环境恶劣，是汽车的易损部件，所以对其力学性能具有严格的要求。汽车在行驶过程中，汽车板簧除了要承受车厢及载物的重量，即静载荷外，还要承受因路面不平等原因引起的冲击载荷，并因此造成单向循环弯曲应力。板簧的主要失效方式是疲劳断裂和永久性塑性变形。因此，板簧的材料应具有高的强度和硬度，高的弹性极限，弹性减退抗力要好，有较高的屈强比，为防止在交变应力下发生疲劳和断裂，板簧还要具有较高的疲劳的强度和耐蚀性能。

低碳钢为碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。综上所述，低碳钢不符合板簧材料高强度和高硬度的要求。

铝合金种类较多，通过加入合金元素以及对热处理工艺的控制，可以得到具有优良性能的铝合金。铝合金有很多种类，1000系列铝合金含铝量高，往往适用于对强度和硬度要求不高的场合；2000系列铝合金的特点为硬度高，但此系列属于航空铝材，在常规工业中并不常用；3000系列铝合金的主要特点为防锈功能较好；4000系铝合金属于建筑材料，机械零件锻造用材，焊接材料；5000系列铝合金又称镁铝合金，性能优良，缺点是不能做热处理强化；6000系列铝合金适用于对抗腐蚀性，抗氧化性要求较高的场合；7000系铝合金为航空铝材。综上所述，铝合金不适用于制造汽车板簧。

65Mn弹簧钢，含有0.90%—1.2%的Mn元素，提高了材料的淬透性，φ12mm的钢材油中可以淬透，表面脱碳倾向比硅钢小，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，但有过热敏感性和回火脆性。常用作小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制作弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧及冷拔钢丝冷卷螺旋弹簧。

虽然锰钢淬透性好，但易产生淬火裂纹，并有回火脆性。因此，汽车板簧常用的材料为60Si2Mn弹簧钢，具有高强度、弹性和淬透性，适于铁道车辆、汽车拖拉机工业上制作承受较大负荷的扁形弹簧或线径在30mm以下的螺旋弹簧、板簧，也适于制作工作温度在250 ℃以下非腐蚀介质中的耐热弹簧以及承受交变负荷及在高应力下工作的大型重要卷制弹簧。

2.汽车板簧服役环境的要素有哪些？

（1）汽车板簧需承受来自汽车车厢以及载物的重量，各弹簧片受力变形，产生弯曲变形；

（2）汽车在行驶过程中，当路面不平时，汽车发生较大幅度和频繁的颠簸，则汽车板簧需承受冲击载荷，并因此造成单向循环弯曲应力；（3）当汽车行驶速度过高时，也会加大汽车板簧的变形幅度，导致板簧加速疲劳而损坏；

（4）紧急刹车会瞬间加大汽车板簧的受力，长期频繁的紧急刹车会对汽车板簧造成严重的损坏；

（5）汽车在转弯时，若转弯速度较大，则会产生过大的离心力，加大外侧板簧的负荷；

3.汽车板簧有可能发生的断裂类型？

（1）塑性变形：当汽车超载时，载荷的重量超过板簧的承载能力，此时板簧往往发生永久性塑性变形

（2）疲劳断裂：由于汽车板簧长期在交变载荷下工作，则容易发生疲劳断裂；

4.如何设计实验确定失效类型？

通过对汽车板簧的化学成分分析，对断口处的显微组织分析等试验方法，分析疲劳断裂件中疲劳裂纹的萌生，疲劳裂纹的扩展，以及最后断裂。

（1）失效的汽车板簧用60Si2Mn弹簧钢制备而成，在失效板簧本体上取样做化学成分分析，观察测试结果是否符合国家规定的60Si2Mn弹簧钢标准。

（2）观察板簧的断口形貌，寻找疲劳源区，疲劳裂纹扩展区，以及瞬时断裂区。

板簧叶片表面（主要是受拉面）有裂痕，缺口，凹坑等，使叶片在受负荷时产生应力集中，引起早期疲劳破坏，所以板簧的疲劳断裂源往往在板簧的表面处。

在疲劳断口处还有清晰可见的贝纹线，此处为疲劳裂纹的扩展区，外观较为光滑，主要特征是围绕疲劳源存在一系列平行的同心弧线，即为疲劳线。

瞬间断裂区外观较为粗糙，与静载断口形貌相似。

（3）疲劳裂纹的萌生

从宏观断口的特征可以看出疲劳断裂的过程为：局部塑性变形—疲劳裂纹的形成—疲劳裂纹的扩展—瞬间断裂。疲劳裂纹的萌生和扩展过程是疲劳破坏的起始和重要的损伤阶段。金属所受的交变应力的最大值低于材料的屈服强度，在较低的应力下，材料的变形是局部的，非均匀的，变形严重的地方抗腐蚀能力低，颜色发暗。

微裂纹多在表面形成，主要原因为：一是因为板簧所受到的载荷使其发生弯曲变形，弯曲疲劳时表面变形最大；二是由于表面脱碳强度降低所导致。60Si2Mn弹簧钢中的Si元素可促进渗碳体的分解，增加脱碳倾向当加热温度较高，保温时间较长时，很容易造成表面脱碳，位错与碳化物或夹杂物相互作用，使相界开裂，与基体剥离，形成微孔，微孔合并后形成裂纹源。

（4）疲劳裂纹的扩展

疲劳裂纹的扩展途径不是唯一的，可以沿晶扩展，也可以穿晶扩展。在交变应力的作用下，由于位错沿着滑移面往复运动而造成围观裂纹的萌生和扩展。断口是不均匀的，有许多相互连接而与主裂纹相交的小裂纹，在主裂纹的侧面还有与主裂纹近似平行的小裂纹。在交变应力的作用下变形是不均匀的，也不是同时的，有先有后，在形成的裂纹扩展的同时又有新的裂纹萌生及扩展，先扩展的裂纹为主裂纹，周围新萌生的微裂纹可称为次生裂纹。

综上所述，提高汽车板簧的疲劳寿命可从以下几方面考虑：

1.选择优良的原材料，材料中的夹杂物以及杂质越少越好

2.加热时应在保护气氛或在真空进行，避免表面脱碳

3.进行表面研磨，提高表面光洁度

4.进行表面强化硬化处理