汽车中的板簧的断裂失效分析

材料断裂理论与失效分析汽车中的板簧的断裂失效分析
专业：材料工程（锻压）
类型：应用型
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学号： 15S******
汽车中的板簧的断裂失效分析
引言
汽车板簧是汽车悬架系统中最传统的弹性元件，由于其可靠性好、结构简单、制造工艺流程短、成本低而且结构能大大简化等优点，从而得到广泛的应用。

汽车板簧一般是由若干片不等长的合金弹簧钢组合而成一组近似于等强度弹簧梁。

在悬架系统中除了起缓冲作用而外，当它在汽车纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，即可担负起传递所有各向的力和力矩，以及决定车轮运动的轨迹，起导向的作用，因此就没有必要设置其它的导向机构，另外汽车板簧是多片叠加而成，当载荷作用下变形时，各片有相对的滑动而产生摩擦，产生一定的阻力，促使车身的振动衰减，但是板簧单位重量储存的能量最低，因些材料的利用率最差。

1.材质是什么？65Mn/低碳钢哪一类合适？
材质一般为硅锰钢。

因为碳素弹簧钢因淬透性低，较少使用于汽车中；锰钢淬透性好，但易产生淬火裂纹，并有回火脆性。

因此，硅锰钢在我国应用在汽车的板簧上较为广泛。

65Mn钢更为合适，因为：
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。

因此可以看出，低碳钢不符合板簧材料高强度和高硬度的要求。

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。

Mn是弱碳化物形成元素，在钢中主要以固溶的形式存在于基体中。

一部分固溶于铁素体（或奥氏体），另一部分形成含Mn的合金渗碳体（Fe、Mn）。

Mn还能显著提高钢的淬透性，改善热处理性能，强化基体、降低珠光体的形成温度，细化珠光体的片间距离，从而提高钢的强度和硬度。

总体上，钢中加入锰为0.9%~1.2%，使淬透性和综合性能有所提高，脱
碳倾向减小，但有过热倾向及回火脆性，易出现淬火裂纹。

且锰钢价格便宜，资源丰富。

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。

综上所述，应用65Mn钢更为合适。

2.所选材质的合金化原理、性能特点、典型热处理工艺。

2.1材质的合金化原理
65Mn钢化学成分见表2.1，一般其抗拉强度σb(MPa)≥980(100)；屈服强度σs(MPa)≥784(80)；伸长率δ10(%)≥8；断面收缩率ψ(%)≥30；硬度：热轧≤302HB，冷拉+热处理≤321HB。

表2.1 65Mn钢化学成分
C Si Mn P S Cr Ni Cu
含量0.62~0.70 0.17~0.37 0.90~1.20 ≤0.025 ≤0.020 ≤0.10 ≤0.15 ≤0.20 2.2材质的性能要求
板簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。

因此所选材质应具有较高的强度以及适当的韧性，并且具有较高的弹性极限、较好的弹性减退抗力以及较高的屈强比，为了防止板簧在交变应力下发生疲劳和断裂，弹簧应具有较高的疲劳强度和耐蚀等性能，通常为σ0.2≥1160MPa，σb≥1280MPa，δ10≥5%，ψ≥25%。

汽车板簧在工作中反复承受交变弯曲应力，故对板簧的表面质量要求很高，不允许其表面有缺口、裂纹、折叠和斑疤等，表面即使存在微小缺陷和损伤，也会由此产生应力集中，形成疲劳源，导致板簧早期疲劳断裂口。

有研究指出，断裂板簧的裂源正好萌生于小坑处，并且小坑处组织为针状马氏体，且有淬火裂纹存在。

故板簧表面的小坑及裂纹是引起板簧早期疲劳断裂的根源。

为了满足上述性能要求，板簧钢应具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。

2.3材质典型的热处理工艺
板簧的主要制造工艺过程为：下料一钻孔一轧制切头一校正一第一片卷耳一端磨一淬火一回火一喷丸一探伤一油漆一测试。

即使是同样的材料，其热处理是否合理，导致的寿命相差也很大。

因而通常材料在淬火得到马氏体后，进行回火处理，可得到碳化物尚未发生明显的聚集长大，保持弥散的分布状态的回火组织。

淬火所造成的第二类内应力也几乎全部消除，但并未发生再结晶，仍保留马氏体针状结构和强化效果，故而有较高的弹性极限。

在淬火前对65Mn钢加热到860度，油淬，在380度中温回火。

采用回火屈氏体转变机制是：马氏体在中温回火温度，其过饱和的碳原子析出与铁原子结合生成颗粒状碳化物，马氏体组织中碳浓度减少，晶格改组转变成铁素体组织，形成由极细小的颗粒状渗碳体分布在铁素体基体上这种机械混合物称之为回火屈氏体。

板簧钢的高弹性极限性能主要依靠这种组织来实现。

碳化物尚未发生明显的聚集长大，保持弥散的分布状态，马氏体制发生回复过程，由淬火所造成的第二类内应力几乎全部消除，但未发生再结晶，仍保留马氏体针状结构和强化效果，故而有较高的弹性极限，硬度54.1HRC。

淬火工艺为：淬火温度为850~880℃，淬火时间有板厚决定。

淬火介质为10号轻柴油，在油中冷却50~75s，油温控制在20~50℃。

图2.1 65Mn钢淬火温度与硬度的关系
中温回火工艺：中温快速回火，以提高生产效率和强度。

回火温度及时间视板厚而定，见表2.2。

表2.2回火工艺参数
板厚/mm ≤8 >8
时间/min 18 30 回火炉前部温度/℃480±20 460±20
回火炉后部温度/℃680±20 650±20
图2.2 65Mn钢回火温度与硬度关系图2.3 65Mn钢经回火后硬度与冲击性关系
图2.2描述了65Mn回火硬度随回火温度升高而发生变化的规律，由图可见，在180-280℃范围内回火时，其硬度随回火温度升高而变化不大。

在300℃回火时，硬度略有升高，为57-58HRC。

图2.3描述了65Mn在870℃冷淬火后经不同温度回火后的硬度值与冲击韧度的关系。

图2.3所示的冲击韧度有两个峰值，其中一个峰值约为400J/cm2，对应的硬度为50-52HRC，这个硬度对冷作模具而言，显然是偏低的。

另一峰值韧度约为380J/cm2，其对应的硬度值为57-58HRC。

对于膜片弹簧成形压淬模而言，硬度为50-55HRC较为合宜，硬度为55HRC时，冲击值为谷点(实际回火脆性为350℃左右)，应避开。

回火最后得到的组织为回火屈氏体。

喷丸的目的是为了提高弹簧的强度和疲劳寿命，要对热处理后的板簧进行喷丸处理。

经喷丸处理的疲劳寿命一般可达未喷丸的5~10倍。

3.服役环境的要素
弹簧在冲击、振动或长期交应力下使用，所以要求板簧钢有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度。

在工艺上要求板簧钢有一定的淬透性、不易脱碳、表面质量好等。

考虑板簧可能的服役环境为：
（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；
（6）汽车行驶的环境如果较为恶劣，零部件容易发生腐蚀。

4.有可能发生的断裂模式是什么？
汽车钢板弹簧在汽车行驶过程中承受各种应力的作用。

其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏，如图4.1所示。

图4.1 板簧的失效
板簧可能发生的失效：
（1）过载断裂：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，当工作载荷超过其所能承受的极限载荷时，将发生过载断裂。

（2）脆性断裂：汽车长时间在北方寒冷空气下行驶时，可能因为低温发生脆性断裂。

（3）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。

当长时间在恶劣的环境下行驶时，可能因金属发生腐蚀而出现腐蚀疲劳断裂。

5.如何设计实验确定失效的类型及其机理？
可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。

具体的分析实验步骤为：
（1）化学成分
失效的汽车板簧用65Mn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65Mn弹簧钢标准。

（2）宏观分析
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）如有裂痕，缺口，凹坑等，会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。

在疲劳断口处如能观察到清晰可见的贝纹线，则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。

而瞬间断裂区的外观较为粗糙，与静载断口形貌相似。

一般疲劳断裂的过程为：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。

65Mn 弹簧钢保温时间较长时，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。

（3）微观分析
用扫描电子显微镜对断口作进一步观察，并对对失效件在断口裂源处纵向取样作显微分析，一般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。

（4）硬度测试
对失效样件进行硬度测试，测试样件是否符合技术要求，一般失效件裂源区硬度偏高。

由实验的分析，可以推断提高汽车板簧的疲劳寿命的建议，一般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。