钢板弹簧失效分析数据库经验总结

钢板弹簧失效分析数据库经验总结
钢板弹簧提前失效是商用车常见的故障，顾客抱怨和索赔所占比重较大，严重影响公司的声誉和经济利益。

为维护公司声誉和对产品的分析改进，失效分析具有重要意义！
钢板弹簧的失效分析没有技术标准可参考，依据的多是行业内各供应商自己积累的经验。

加上主机厂替换后的失效件退回周期长，断口锈蚀磨损严重不清晰，商用车在使用中负载和路况情况复杂，给失效分析带来一定困难。

因此，失效分析很难给予明确的定性结论，也很难得到顾客认可。

鉴于以上两点，失效分析操作者的经验尤为重要！实验中心从16年至18年5月钢板弹簧失效分析共做75份191件，历经四人的工作经历，在钢板弹簧失效分析方面，积累了一定的经验，从中找到了一些规律性的失效模式。

有必要对钢板弹簧失效分析做经验总结和建立数据库，成为公司的技术数据，为公司生产和质量改进、顾客反索赔提供技术依据。

通过统计和分析，对钢板弹簧失效件断口分为如下几种特征：
一、从断口来划分：分为断口齐整和断口不齐整（呈锯齿状或高低不平）两种。

从统计看，装车返回的失效件多为断口齐整情况，约占90%；台架疲劳试验件断口多为断口不齐整情况。

分析其原因，笔者认为：装车返回失效件受力状态基本为常温交替疲劳循环，其表现为穿晶断裂，断口齐整；而台架疲劳试验受力状态为受力时间集中，连续受高应力且工作温度高（一般工件可达150-250℃），受力产生的疲劳裂纹沿晶界结合力弱的部位扩展，也就是说台架疲劳试验受力状态为非常温交替疲劳循环，其表现为非穿晶断裂，断口不齐整。

二、从疲劳源来划分：分为一点；两点或三点；多点或台阶纹。

1、一点：断口多为有一点疲劳源，约占65%。

一点在板簧边缘左侧或右侧R角附近最多，在中间部位的少。

2、两点或三点：约占20%，分散分布。

3、多点或台阶纹：约占15%，集中分布，在断口上可看到高低不平平行分布的台阶纹。

三、从断口形成的纹理来划分：这是本数据库经验总结的重要部分，因为不同的受力情况会导致断口形成不同纹理，对于成分、金相、硬度对断口形貌的影响因素很小，可作为相同的理想状态不做分析。

本文做统计和分析主要对此做总结。

在总结前，对几个术语做说明：
1、疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

2、低周疲劳和高周疲劳是可以放在一起讨论的概念。

据循环周次来判定，一般总周次大于10的5次方为高周疲劳，小于10 的4次方为低周疲劳，但一般认为10的2次方到10的5次方为低周疲劳。

对于板簧断裂失效件尤其退回件而言，真正的失效疲劳次数无从知道，因此低周疲劳和高周疲劳只是相比较而言。

高周疲劳一般在部件受到较小的交变应力时发生，疲劳寿命较长。

由于失效持续时间较长，因此断口纹理明显。

低周疲劳一般在构件受到较高应力或者由于存在应力集中区域，局部应力超过材料的屈服极限，形成较大的塑性区，在交变应力作用下，塑性
区极易产生宏观裂纹，裂纹主要在塑性区扩展。

由于失效持续时间较短，因此断口纹理不明显。

3、从191件失效样件分析看，其组织金相能够达到4级（较粗的回火屈氏体）以上的很少；大多数组织为5级有少量的贝氏体或6级有少量铁素体出现。

硬度要求在HRC44-48之间，绝大数硬度偏低2-4HRC。

从分析看，硬度和金相对疲劳寿命有影响，但对断口形貌的影响可忽略不计不做分析。

见附件表一：
序号断口纹
理特征
典型照片金相组织和硬度产生机理
失效性
质
约占比
重（%）
来自191
件数据
1 贝壳纹
（线）
明显
报告编号：SYS/SX-2017-19 1#件：
回火屈氏体+贝氏体+铁素体，6级
硬度HRC44-46
SYS/SX-2017-31 5#件：
四分之一和次表面：较粗的回火屈
氏体，4级；心部5级。

硬度HRC41-43.5
SYS/SX-2017-11 6#件：
较粗回火屈氏体4级，硬度
HRC43.5-45.5
疲劳寿命
长，属高
周疲劳，
形成受力
小，工作
频次低
典型疲
劳断
裂，正
常工作
状态
20.9% 疲劳源
疲劳源
裂纹扩展区瞬间断裂区
贝壳线
人字纹
贝壳线
裂纹扩展区
瞬间断裂区
贝壳线裂纹扩展区
瞬间断裂区
疲劳源1
疲劳源2
4/ 9
2 人字纹
明显
SYS/SX-2017-26 6#件：
心部和四分之一：回火屈氏体+贝氏体+
铁素体，6级；次表面4级。

硬度HRC44.6-46.3
SYS/SX-2018-002 1#件：
中等细致的回火屈氏体，2级；
硬度HRC45.9-46.8
SYS/SX-2018-012 3#件：
较粗的回火屈氏体，4级；
硬度HRC44.3-45.1
疲劳寿命
较长，属
高周疲
劳，形成
受力小，
工作频次
低，但不
如贝壳纹
的好。

疲劳断
裂，基
本正常
工作状
态
34.6%
疲劳源
人字纹
瞬间断裂区
裂纹扩展区
疲劳源
裂纹扩展区
瞬间断裂区
疲劳源
人字纹
人字纹
裂纹扩展区
瞬间断裂区
5/ 9
3 人字纹
模糊不
明显，
断口光
滑
SYS/SX-2018-009 5#件：
中等细致的回火屈氏体，2级；
硬度HRC43.7-44.5
SYS/SX-2017-001 4#件：
回火屈氏体+少量贝氏体，5级；
硬度HRC41-41.5
SYS/SX-2017-013 3#件
四分之一和次表面：较粗的回火屈氏
体，4级，心部5级；
硬度HRC43-44.5
疲劳寿命
较短，属
低周疲
劳，形成
受力大，
因失效快
没有充分
时间形成
明显纹
理。

非疲劳
断裂，
工作状
况差，
承受载
荷大
23.6%
疲劳源
裂纹扩展区
1#疲劳源
2#疲劳源
裂纹扩展区
瞬间断裂区
疲劳源
裂纹扩展区
瞬间断裂区
瞬间断裂区
6/ 9
4 疲劳源
处台阶
纹
SYS/SX-2017-008 1#件：
中等细致的回火屈氏体，2级；
硬度HRC44-46
SYS/SX-2017-12-1 4#件：
较粗回火屈氏体4级，硬度
HRC44-46.5
SYS/SX-2018-010 2#件：
回火屈氏体+贝氏体+铁素体，6级；
硬度HRC39.5-42.6
板簧抛丸
面表面质
量差，凹
坑较集中
造成多处
疲劳源裂
纹几乎同
时扩展
与表面
质量差
有关：
多处疲
劳源向
中心扩
展彼此
扩展的
纹理阻
碍，因
此在一
些区域
难以形
成贝壳
线或人
字纹
10%
瞬间断裂区
裂纹扩展区
疲劳源：台阶纹5处
疲劳源
台阶纹5处台阶纹3处
裂纹扩展区
瞬间断裂区
台阶纹状疲劳源7处
裂纹扩展区
瞬间断裂区
7/ 9
5 中心孔
断裂
报告编号：2016-026 1#件：
回火屈氏体+贝氏体5级；
硬度HRC42.5-44
SYS/SX-2017-33 1#件：
2级；硬度HRC44.2-45.4
疲劳源产
生于板簧
上表面中
心孔倒角
处
与平直
段装配
不紧导
致中心
孔受到
力有关
3.1%
6 其它
SYS/SX-2017-10 2#件：
较粗的回火屈氏体，4级；
硬度HRC45.5-47
SYS/SX-2018-11 1#件：
中等细致的回火屈氏体，2级；
硬度HRC44.9-45.8
SYS/SX-2017-35-1 1#件：
中等细致的回火屈氏体，2级
硬度HRC47.2-49.1
断口高低
不平，纹
理乱无规
律
非疲劳
断裂，
过载或
受力复
杂除受
到垂直
力外还
受到侧
应力
7.8%
1#疲劳源
2#疲劳源
裂纹扩展区
瞬间断裂区
2#疲劳源
1#疲劳源
裂纹扩展区瞬间断裂区
疲劳源裂纹扩展区
瞬间断裂区
疲劳源
裂纹扩展区
瞬间断裂区
疲劳源
裂纹扩展区
瞬间断裂区
统计数据分类：
总结分析：（产生机理和失效性质见附表一）
1、贝壳线和人字纹明显两种类型基本属于典型疲劳断裂，两者占到55.5%；其它四种类型基本属于非正常疲劳断裂占44.5%。

2、假如在相同工作条件下，板簧疲劳寿命从贝壳线明显人字纹明显人字纹模糊不明显逐渐降低。

3、从分析总结看，疲劳源呈台阶纹的板簧与板簧抛丸面表面质量有关，疲劳源产生于较集中的凹坑形成台阶纹。

4、中心孔断裂与板簧平直段未夹紧有关；其它断口高低不平，纹理乱无规律，过载或受力复杂除受到垂直力外还受到侧应力等扭转力。

实验中心 2018-6-13
9/ 9。