汽车用钢板弹簧失效分析

汽车用钢板弹簧失效分析

摘要：钢板弹簧是汽车悬架的重要组成部分，钢板弹簧在汽车行驶中承受交

变应力载荷，其产品质量直接关系到车辆行驶的平顺性及操控稳定性。汽车钢板

弹簧是汽车悬架应用最为广泛的一种弹性元件,具有可靠性好、结构简单、制作

工艺流程短等优点。

关键词：汽车用；钢板弹簧；失效分析

引言

汽车钢板弹簧由若干片曲率半径不同、长度不同、宽度相同的弹性钢片叠加

而成,在整体上近似等强度的弹性梁,具有减震和导向作用。钢板弹簧的中部通过

U型螺栓（又称骑马螺栓）固定在车桥上，其作用是通过悬挂的方式连接车架和

车桥。钢板弹簧裸露在车架与车桥之间，承受车轮对车架的冲击、弯曲和振动载荷，通过吸收车辆动能，将动能转化为弹性势能，从而起到缓冲作用，保证车辆

的平稳性和安全性。

1理化检验

1.1断口宏观分析

断裂位置距离钢板弹簧中心35mm处，从图中可以看到钢板弹簧表面布满喷

丸留下的凹坑。钢板弹簧的断口形貌，从图中可以看出，断口与钢板弹簧长度方

向垂直，无明显塑性变形，为宏观脆性开裂，断口表面较粗糙，在B区域可以观

察到明显的撕裂棱，根据撕裂棱的方向可知A区域为裂纹源区，钢板弹簧断裂起

源于表面，其余区域（C区）为最终断裂区。

1.2断口微观分析

用扫描电镜观察钢板弹簧断口中的裂纹源区和扩展区的微观形貌，从图中可

以看出该区域为解理断裂，属于微观脆性断裂，在裂纹源区可以观察到二次裂纹。

可以观察到疲劳辉纹，说明扩展区是在力的循环作用下形成的。将钢板弹簧放到UniMT-12000A/D荧光磁粉探伤机中进行复合磁化，轴向电流为3500A，纵向电流为2000A，磁化2次，磁化时间为1s。钢板弹簧表面磁粉探伤形貌，从图中可以看到钢板弹簧表面存在多条磁痕，钢板弹簧断口的裂纹源区域A和B处有明显的裂纹存在，说明钢板弹簧在台架试验前表面已有裂纹存在，需要进一步分析裂纹产生的原因。

1.3裂纹微观形貌分析

用OLYMPUSGX53光学显微镜对裂纹形貌和裂纹处的显微组织进行检测。裂纹靠近钢板弹簧表面和尖端的形貌，从图中可以看出裂纹在试样表面的宽度比内部要大，说明试样从表面开裂，向材料内部扩展。从图中还可以看出，裂纹尖端较尖锐，但是裂纹的扩展不是沿直线进行。热处理后裂纹靠近钢板弹簧表面和尖端处的显微组织，从图中可以看出裂纹两侧及尖端未出现脱碳及氧化现象，说明裂纹是在淬火过程中或者淬火后产生的。采用HR-150A洛氏硬度计测量钢板弹簧硬度，在表面和心部各取3个点，表面硬度平均值为48.2HRC（49.0、47.5、48.1HRC），心部硬度平均值为47.6HRC（48.5、47.3、47.0HRC）。表面和心部硬度较均匀，均满足技术要求的46~50HRC。

2试验结果

2.1宏观分析

钢板弹簧裂纹起始面及断裂面的宏观形貌。靠近断口外表面的防护漆层完全剥落，表面锈蚀严重，呈黑褐色，表面存在较多平行于断面的微裂纹，其中，有些位置的微裂纹较密集。断口锈蚀严重，呈黑褐色，多源起裂，存在较多裂纹扩展形成的疲劳台阶纹，疲劳扩展区约占断面的80%，快速断裂区占20%。

2.2材质分析

将样品表面的腐蚀产物层打磨后，钻取铁屑对基体材质进行分析。检测结果可知，基体的化学成分符合GB/T1222—2016《弹簧钢》的要求，根据

GB/T228.1—2010要求，从基体中取标准拉伸试样进行拉伸试验，拉伸试样分别

标记为拉伸件1#、拉伸件2#、拉伸件3#。由表2的检测结果可知，试样的拉伸

性能满足GB/T1222—2016《弹簧钢》的要求。

2.3断口分析

断口形貌记录了金属断裂的全过程，包括裂纹萌生、扩展直至断裂过程中的

各种信息。断口裂纹存在多点起裂，裂纹源处有多个台阶纹，说明存在应力集中。裂纹源处存在表面圆滑的腐蚀坑缺陷，疲劳裂纹在腐蚀坑底部萌生并扩展，导致

裂纹源处腐蚀严重，表面被腐蚀产物层覆盖。为准解理特征，疲劳裂纹扩展区占

断面面积80%以上，为高周疲劳开裂。为韧窝和撕裂的韧性断裂。断口外表面形貌，表面被厚厚的腐蚀产物层覆盖，局部存在腐蚀坑及微裂纹，微裂纹纵深扩展，裂纹开口处存在明显的基体腐蚀剥落现象。

2.4非金属夹杂物评定

基体中非金属夹杂物是炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼反应物进入

钢液中形成的，非金属夹杂物的存在一定程度破坏了材料的连续性和完整性，是

有害物质。根据非金属夹杂物的不同形状及颜色差异，分为A类（硫化物类）、

B类（氧化铝类）、C类（硅酸盐类）、D类（球状氧化物类）、Ds类（单颗粒

球状类）；根据不同种类非金属夹杂物的宽度，分为细系、粗系。非金属夹杂物

评定级别为0~3级，级别控制越低，说明材料中非金属夹杂物控制越好。对非金

属夹杂物进行评定，取样位置符合GB/T10561—2005，钢板弹簧中非金属夹杂物

的含量符合60Si2Mn材料的技术要求。

2.5金相分析

对垂直表面微裂纹取样进行观察，在2个位置存在深浅不一的腐蚀坑。腐蚀

坑表面粗糙，存在腐蚀产物层，深度约为180μm；内壁凹凸不平，腐蚀坑内填充

灰色腐蚀产物；靠近壁部的腐蚀产物相对致密；在外层的腐蚀产物相对疏松，呈

层片状并存在脱离剥落现象。在腐蚀坑底部，裂纹萌生并向纵深扩展，裂纹开口宽、尾部窄，裂纹内部填充灰色致密腐蚀产物，表明裂纹在扩展过程中两侧基体

同步发生腐蚀。

3分析与讨论

由断口分析可知，钢板弹簧属典型疲劳断裂。在裂源处有多条台阶条纹，表

明弹簧表面存在应力集中现象。对钢板弹簧表面进行扫描电镜观察和金相检测结

果表明，弹簧表面存在较多的凹坑;这些凹坑存在就有可能产生应力集中而形成

疲劳源区。同时金相检测结果也表明疲劳裂纹起始于凹坑底部，并检测到在凹坑

处有微裂纹存在。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，因此疲劳裂纹常产生在构件的表面，所以构件的表面质量对疲劳强度影响非常很大。所以表面损伤如刀痕、凹坑、缺

口等，这些缺陷处易产生应力集中，使构件疲劳强度大幅下降。钢板弹簧在最终

成型之前通常采用喷丸方法来提高构件抗疲劳强度，其作用不仅使表面产生残余

压应力，而且还可以消除表面缺陷，降低缺口应力集中系数。但当喷丸条件不合

理时，如喷丸过度或在较高的喷丸压力下就可能造成表面损伤，降低构件的抗疲

劳性能。钢板弹簧断裂的原因为:弹簧受到泥沙和雨水的侵蚀和污染,弹簧钢片之

间存在严重的摩擦,使弹簧表面产生腐蚀凹坑,凹坑底部存在疲劳裂纹,随后在大

应力作用下,弹簧发生断裂。其他区域为瞬断区,表明钢板弹簧在服役过程中所受

应力较大,断口的性质为典型多源低周高应力疲劳断裂;从断口的微观形貌可知:

在弹簧拉应力表面有多处大小不一致且呈半圆形的凹坑,凹坑底部较光滑,凹坑附

近组织无明显的塑形变形痕迹,表明凹坑为表面腐蚀凹坑,在凹坑的底部可见多条

垂直于表面的裂纹。弹簧钢片表面有明显的磨损、挤压痕迹,磨损处钢片厚度有

所减薄,说明弹簧钢片之间发生磨损,导致表面漆膜脱落,新鲜的金属光泽暴露在

腐蚀介质中,又因为弹簧表面吸附了水或泥土,使弹簧表面形成了许多腐蚀凹坑。

当腐蚀凹坑的拉应力超过材料的疲劳强度,便会在凹坑的底部萌生疲劳裂纹,最终

发生疲劳断裂。建议钢板弹簧在服役过程中进行定期维护,在弹簧钢片之间加润

滑剂,在服役过程中尽量杜绝超载现象。同时采用富锌漆作底漆,加喷面漆,以提

高弹簧表面的耐腐蚀性能。

结语

通过对钢板弹簧断口形貌、显微组织、化学成分、力学性能等进行检测和观察，并结合钢板弹簧生产和测试过程，得出的结论为：1）热处理过程中产生的