重卡钢板弹簧断裂分析

重卡钢板弹簧断裂失效分析

白培谦 泮战侠 慕松 赵鹏英 杜飞

（陕西汽车集团有限责任公司质量管理部，陕西西安，710200）

摘 要：通过宏观检查、化学成分分析、硬度测试以及微观组织检查等结果分析，确定了重型卡车用钢板弹簧断裂原因。分析结果表明：因超载使钢板弹簧出现过度反弓，造成板簧卡中的螺栓与钢板弹簧动态接触，发生磨损腐蚀现象，在过大的交变应力下出现疲劳断裂。并提出了防止其发生断裂事故的预防措施。

关键词：钢板弹簧；磨损腐蚀；交变应力；疲劳断裂

Fracture Failure Analysis of Heavy Truck Leaf Spring

Bai Pei-qian, PAN Zhan-xia, Mu Song, Zhao Peng-ying, Du Fei,

(1.Shaanxi Automobile Group Co., Ltd. Quality Management Department, Xi ’an 710200, China ) Abstract:The fracture cause of heavy truck leafspring is researched by macrography, chemical composition analysis, hardness test and microstructure test. The research shows that leaf spring excessive inverse arch-shaped for overload causes Frictional Contact between plate spring bolt and leaf spring and erosion corrosion and the leaf spring is broken for fatigue fracture Under alternating stress. In the paper the measures of preventing leaf spring fracture accident is put forward.

Key words: leaf spring; erosion corrosion; alternating stress; fatigue fracture.

钢板弹簧是汽车悬架中重要的弹性元件，主要影响汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性，在车辆行驶过程中起到缓冲减振的作用。

同批次某矿山用短途重载卡车行驶约六千公里后发生四起钢板弹簧断裂事故。断裂钢板弹簧材料为50CrV A ，其生产工艺为：下料→钻孔→卷耳→淬火→回火→喷丸→装配→预压→喷漆。为了查明钢板弹簧断裂原因，对断裂失效件进行检查分析。

1 检查与结果

1.1 宏观检查

断裂发生在前钢板弹簧组第一片后侧板簧卡附近，见图1（a ）箭头所示位置，距吊耳孔中心约26cm 处，断口侧表面可见明显磨损腐蚀痕迹，见图1（b ）所示。在体视显微镜下观察钢板弹簧侧表面磨损腐蚀区域发现：断口侧表面磨损腐蚀区域呈现红褐色，仔细观察存在大量裂纹，且出现腐蚀坑，见图2。

（a ） (b)

图1 断裂位置及外观

Fig.1 the fracture position and appearance

收稿日期：

图2 磨损腐蚀区域

Fig.2 The region of the erosion corrosion

观察断裂钢板弹簧断口形貌可知：断面基本垂直于板簧纵向，有剪切唇，断口上可见多处裂纹源均位于板簧受拉应力一侧，裂纹扩展区有明显的弧线状贝壳纹，具有典型的疲劳断口特征。疲劳扩展区面积较小，约占断口面积的1/10，瞬断区面积较大，表明该板簧服役时承受了较大的载荷，见图3。

图3 断口宏观形貌

Fig.3 the fracture macroscopic feature

1.2 断口微观检查

图4为钢板弹簧断口中裂纹源区在扫描电镜下的形貌，明显可见裂纹起源于磨损腐蚀部位的腐蚀坑处。用能谱仪对腐蚀坑处的腐蚀产物进行分析，其分析结果见图5。能谱分析结果表明：断裂钢板弹簧裂纹源区腐蚀产物主要为氧化物和氯化物。

图4 裂纹源处微观形貌

Fig.4 the micro-morphology on the crack source 作者简介：白培谦（1965-），男，正高级工程师。

图5 腐蚀层能谱分析图

Fig.5 the energy spectrum diagram of the corrosion layer

钢板弹簧断口中裂纹扩展区已被氧化腐蚀，在电镜下除观察到二次裂纹外，其余微观特征无法辨别，见图6。瞬断区微观特征为解理+准解理+沿晶，见图7。

图6 裂纹扩展区微观形貌

Fig.6 the micro-morphology on the crack extension zone

图7 瞬断区微观形貌

Fig.7 the micro-morphology on the fast fracture area

1.3 硬度检查

在失效钢板弹簧断口附近取样，测量其基体平均硬度为420HBW，检测结果符合相关技术要求。

1.4 化学成分检查

在失效钢板弹簧上取样进行化学成分分析，结果符合GB/T1222-2007标准中50CrV A材

质要求，见表1。

表1 钢板弹簧的化学成分(%)

Tab.1 the chemical constituents of the leaf spring

项目 C S Si Mn P Cr V

实测值0.52 0.014 0.28 0.62 0.020 0.87 0.13

标准值0.46~0.54 ≤0.025 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.025 0.80~1.10 0.10~0.20 1.5 金相检查

在板簧断裂处附近进行微观检查。该处表面无脱碳现象，见图8，基体组织为较粗的回火屈氏体，4级，见图9，检测结果符合相关技术要求。

图8 表面组织200X 图9 基体组织500X Fig.8 the surface microstructure 200 X Fig.9 the matrix structure 500X

2 分析讨论

理化检测结果表明断裂钢板弹簧材质、硬度、基体组织均符合相关技术要求。断口宏观和微观检查结果表明断裂钢板弹簧失效形式为磨损腐蚀引起的多源疲劳断裂，其疲劳断裂的过程是微动磨损、氧化及腐蚀、交变应力等综合作用的过程。产生这种失效模式的原因是：车辆在服役过程中因超载产生过大的弯曲应力，钢板弹簧出现过度反弓现象，造成板簧卡螺栓杆与钢板弹簧组第一片簧发生摩擦接触，第一片钢板弹簧油漆涂层脱落后，其面上裸露出的金属与空气接触发生氧化反应，形成氧化铁等反应产物，该氧化产物强度低在螺栓杆与第一片钢板弹簧继续摩擦时会从表面剥离下来或破碎，钢板弹簧表面形成凹坑，出现应力集中点。钢板弹簧在汽车行驶时受交变应力的作用，在交变载荷作用下，磨损区域应力集中点易出现疲劳微裂纹，在交变应力作用下微裂纹不断扩展，某些裂纹在扩展中合并为一主裂纹；同时，磨损过程中形成的腐蚀物及腐蚀介质（空气、水等），也会逐渐渗入裂纹内部，像一个楔子一样嵌入微裂纹内部，使裂纹尖端的应力强度因子幅加大，并伴有化学作用，使裂纹进一步扩大，在裂纹稳定扩展区出现大量腐蚀坑，并使钢板弹簧疲劳寿命下降；最终导致钢板弹簧在过大应力下发生断裂。

为了防止出现此类钢板弹簧断裂事故，应在工作中避免出现过大的弯曲应力造成钢板弹簧反弓后与板簧卡中的螺栓杆接触摩擦。在汽车行驶时应按设计重量进行承载，避免出现长期超载；同时在行驶中应避免频繁使用紧急制动，防止由于惯性力的作用，车辆的重心前移，使钢板弹簧受到过大的弯曲应力和拉应力。

3 结束语

通过对断裂钢板弹簧进行理化分析，确认了其断裂原因为超载使钢板弹簧出现过度反弓，造成板簧卡螺栓与钢板弹簧动态接触，发生磨损腐蚀现象，在过大的交变应力下出现疲劳断裂。并在分析钢板弹簧断裂机理的基础上提出了防止其发生断裂事故的预防措施。