失效分析作业

1．汽车中的板簧材质，65Mn/低碳钢哪一类合适？
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。做为板簧材料应是中高碳的合金钢。 国外常用的钢号一般为含碳量在 0.5%～0.65%左右的 Si-Mn 系、Cr-Mn 系、Cr-V 系以及 Cr-Mn-B 系等。如美国的 SAE9260、SAE5160、SAE51B60 等。我国常用 钢号为 Si-Mn 系，如 55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn 以及近年发展起来的低碳 弹簧钢，如 28MnSiB、30MnSiB、35MnSiVB 等。虽然在我国弹簧钢标准也有 Cr-Mn 系、Cr-V 系，但由于我国资源情况，其价格较贵。
表 165Mn 的化学成分 C 0.62-0.70 Si 0.17-0.37 Mn 0.90-1.20 S ≤0.035 P ≤0.035 Cr ≤0.25 Ni ≤0.25 Cu ≤0.25 Fe 余量
由表 1 可知，65Mn 弹簧钢含有 0.90%—1.2%的 Mn 元素，提高了材料的淬 透性，φ 12mm 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，所以相对于低碳钢 65Mn 做汽车板簧更合适。
3．汽车板簧服役环境的要素：
（1） 汽车自重及载荷作用在板簧上，簧片受力变形，产生弯曲变形；汽车 发生较大幅度颠簸时，板簧需承受冲击载荷，并因此造成单向循环弯 曲应力；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；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； 若汽车转弯速度较大， 则会产生过大的离心力，加大外侧板簧的负荷。 （2） 不同自然环境下，环境温度，湿度，温度变化等环节因素对板簧都会 产生影响。 （3） 特殊工作环境下，如矿区，沙漠，沿海地区，湿地环境等，板簧会在 更加恶劣的环境下进行工作，腐蚀和应力疲劳更加严重。
旋弹簧或拉成钢丝作小型机械上的弹簧。 弹簧淬火目的是把奥氏体化的钢材，以合理的冷却方式冷却，形成马氏体， 然后回火， 达到希望的组织和性能。由各种弹簧钢的过冷奥氏体转变曲线和端淬 曲线可知， 弹簧钢的马氏体形成温度在 300℃左右。 因此合适的冷却介质应在 300℃ 以下有较慢冷却能力而在 300℃以上则冷速较快，以使过冷奥氏体不致形成珠光 体类型或贝氏体类型的组织，即所谓“淬不透” 。这样的介质，一方面保证了板 簧在全部截面上淬透；另一方面也保证了热处理后的力学性能。 我国板簧热处理淬火介质一直沿用油，如 N15 及 N32(10 号及 20 号)机油或 柴油，它能满足 300℃以下的慢冷，但由于在 300℃以上冷却速度较慢，故不宜 用于大截面板簧如 55Si2Mn、60Si2Mn 钢在上述油中淬火最大淬硬层只能达到 12mm，淬透性较好的 55SiMnVB 钢也只能达到 16mm 左右。近年来随变截面板 簧的发展，所用钢材厚度加厚。若超过 12mm 就不能使用 Si-Mn 系，超过 16mm 不能使用 Si-Mn-V-B 系，而使用 Cr-Mn 系、Cr-V 系又加大板簧成本。此外油淬 火时严重污染环境，而且易发生火灾。 65Mn 钢必须应具备高的弹性极限和高的屈强比，以避免弹簧钢在高载荷下 产生永久变形； 同时还要求有良好的淬透性和低的脱碳敏感性，使弹性极限大幅 度降低； 以及良好的表面质量， 在冷热状态下容易加工成形和良好的热处理工艺 性。 65Mn 的典型热处理及规范为： 临界点温度 （近似值） Ac1=726℃， Ac3=765℃， Ar3=741℃，Ar1=689℃，Ms=270℃；正火规范：温度 810±10℃，空气冷却； 淬火、回火规范：淬火温度 830±10℃，油冷却；回火温度 540℃±10℃，水、 油冷却。
2．所选材质的合金化原理、性能特点、典型热处理工艺。
65Mn 合金化原理为 Mn 元素与 Fe 形成以γ-Fe 为基的无限固溶体。 65Mn 的性能特点：热处理及冷拔硬化后，强度较高，具有一定的韧性和塑 性；相同表面状态和完全淬透情况下，疲劳极限与合金弹簧相当。但淬透性差， 主要用于较小尺寸的弹簧，如调压调速弹簧、测力弹簧、一般机械上的圆、方螺
4．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，则容易发生疲理
通过对汽车板簧的化学成分分析， 对断口处的宏观观察和显微组织分析等试 验方法， 依据各种失效形式的典型特征进行判断板簧的失效类型及失效原因。具 体步骤如下： （1） 宏观分析：观察构件的表面表面质量（表面残余应力和表面粗糙度） 和表面损伤 （如刀痕、 凹坑、 缺口等） ， 这些缺陷处易产生应力集中， 使疲劳强度下降。观察断裂钢板弹簧断口处的的宏观形貌，判断断口 处是否具有疲劳断裂的特征，寻找疲劳源区，疲劳裂纹扩展区，以及 瞬时断裂区。若疲劳源位于受拉应力的一侧， 裂源处有多条台阶条纹 由表及里扩展， 则说明疲劳源处存在应力集中。 此外， 除设计应力外， 如果因某种原因有附加应力产生， 使总应力加大也可能造成钢板弹簧 片断裂，观察簧片在断口处是否有附加应力产生。 （2） 扫描电镜断口分析： 用扫描电镜观察断口， 若为疲劳断裂则在低倍下 可观察到裂纹源形成于弹簧表面，断口上有多个疲劳源，裂源处有多 条放射状台阶条纹。在断口裂纹扩展区可观察到疲劳辉纹。 （3） 化学分析： 在失效板簧本体上取样做化学成分分析，观察测试结果是 否符合国家规定的该型号弹簧钢标准。 （4） 金相检验：在裂源处取金相试样，显微镜下观察组织类型，若组织类 型不符合标准则说明需要严格控制热处理工。 在显微镜下观察微裂纹 分布位置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， 因此裂纹常产生在构件 的表面。 断口分析和金相剖面分析结果可能表明疲劳裂纹起始于凹坑 底部，并检测到多处疲劳源和裂纹。 （5） 硬度检验： 表面脱碳是引起疲劳断裂的另一原因， 用显微硬度计测量 失效弹簧心部和表面的硬度以判断脱碳层厚度是否符合要求。