载货汽车钢板弹簧断裂分析

载货汽车钢板弹簧断裂分析
张喆
长春一汽集团汽车材料研究所，长春市 130011
摘要：对工作中遇到的导致钢板弹簧断裂的多种原因进行了总结，探索了提高钢板弹簧疲劳寿命切实可行的有效方法。

关键词：钢板弹簧；失效分析
钢板弹簧是载货汽车悬架的重要组成部件，作为车轮运动轨迹的导向机构，使用底盘受力情况较好，是直接影响着汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性。

在汽车行驶过程中，钢板弹簧承受交变应力的作用，疲劳断裂是常见的失效形式。

我厂设计生产的J6、J5P 、L501等系列车型的前后悬架上都使用了钢板弹簧，其疲劳寿命对整车质量有着重要的影响。

作者承担了技术中心的钢板弹簧断裂分析工作，本文对工作中遇到的导致钢板弹簧断裂的多种原因进行了总结，探索了提高钢板弹簧疲劳寿命切实可行的有效方法。

1．钢板弹簧材料标准和断裂分析依据
我厂载货汽车使用的钢板弹簧材料主要有50CrMnVA 、50CrVA 、60Si2MnA 、55SiMnVB 等，具有高强度和高可靠性，其性能和工艺性能见表1。

表1 普通弹簧钢力学性能
热处理制度
力学性能 伸长率 δ% 钢材牌号
淬火温度 （℃）
回火温度 （℃）
屈服点 бS ( MPa) 抗拉强度бb ( MPa) δ5
δ10
收缩率ψ%
50CrV A 850 油 500 1150 1300 10 40 55SiMnVB 860 油 460 1250 1400 5 30 60Si2MnA 870 油 440
1400
1600
5 20
作者工作过程中接触到了许多种类的断裂情况，其中既有在台架试验过程发生断裂，也有在道路试验过程中以及用户使用过程中发生断裂。

目前，我们主要采用化学分析、断口分析以及金相检验等方法对断裂的钢板弹簧进行失效分析。

分析检验主要按照下列标准进行： GB/T 19844-2005《钢板弹簧》、GB/T 1222-1984《弹簧钢》、JB/T 3782-1984《钢板弹簧金相检验标准》以及一些我厂的内部标准。

2．钢板弹簧断裂分析
导致钢板弹簧断裂的因素有很多，由于篇幅的限制不能一一论述，下面将针对工作中遇到的一部分具体原因分别进行举例阐述。

2.1 部分钢板弹簧选材的原因
在进行断裂分析试样中发现少量存在着材料与图纸要求不符的情况。

图1所示为我厂12米城市客车车型2912010C1T 钢板弹簧图纸要求的55SiMnVB ，在用户使用过程中发生断裂后的断口照片，该断口形式为类似脆性断裂断口。

化学分析的结果显示该弹簧材料为60Si2MnA ，图纸要求的不符。

由于材料不符合图纸要求，导致后续的热处理工艺出现问题，弹簧硬度过高，从而产生了图1中的类似脆性断裂断口。

图1 2912010C1T 断口照片
2.2 热处理工艺原因
热处理工艺直接影响着钢板弹簧材料的力学性能，是保证弹簧质量的重要步骤，我厂L501车型使用的钢板弹簧以前因热处理工艺不当，出现过质量问题。

图2所示为L501车型2902010-5B5钢板弹簧断裂样品的金相组织照片，其金相组织为回火屈氏体+铁素体+珠光体。

这种金相组织出现的原因很可能是热处理过程中淬火温度过低、回火不充分所致，会严重影响钢板弹簧的疲劳寿命，是发生早期断裂的主要原因。

图2 回火屈氏体＋铁素体＋珠光体 500×
2.3 喷丸工艺原因
钢板弹簧的表面质量对弹簧疲劳寿命有着重要的影响，弹簧表面缺陷如橘皮、划痕等，在交变载荷作用下，容易在缺陷处产生应力集中，形成疲劳源，从而导致弹簧疲劳断裂。

喷丸处理可以消除表面缺陷，提高疲劳寿命。

另一方面，汽车钢板弹簧要求预应力喷丸，预应力喷丸可借助冲击能量，在弹簧表面形成喷丸强化层，大幅度的提高表面残余压应力，也是提高疲劳寿命的重要手段。

表1所示为我厂某车型某钢板弹簧样品的台架试验结果。

进行试验的这两架钢板弹簧总成来自不同的生产厂家，它们的疲劳寿命差别很大。

对比图3-1和图3-2可以看出，1＃样品的喷丸效果明显好于2＃样品，表1中的表面残余压应力结果也证实了这一点，从而说明了喷丸工艺可以有效提高钢板弹簧的疲劳寿命。

表1 2.4 表面缺陷原因
上一节中我们提到喷丸处理可以消除表面缺陷，从而提高钢板弹簧的表面质量。

但是，还有一些在机械加工、锻造以及运输等过程中产生的表面缺陷，是喷丸工艺无法消除的。

在交变载荷作用下，钢板弹簧容易这在些表面缺陷位置形成应力集中，从而导致断裂的发生。

样品编号
疲劳寿命(万次)
断片序号表面残余压应力 技术要求(万次) 2902010A50A-1＃ 62.60 未断裂 699 MPa
2902010A50A-2＃ 6.74
2
391 MPa
≥16
图4所示为我厂J5P 车型2S2902010A371钢板弹簧断裂样品低倍形貌照片，该片弹簧包耳处在用户使用过程中出现断裂现象。

从图4中可以看出，该片钢板弹簧圆角处存在明显的表面缺陷，从缺陷形貌推断应该是热切工艺后遗留的飞边。

这种飞边的存在导致该片弹簧圆角处过渡非常尖锐，弹簧受载荷作用时会在圆角处形成应力集中，并且断裂源和飞边所在位置是相对应的，说明圆角处的飞边引起的应力集中是造成该片弹簧断裂的主要原因。

图3-1 1＃表面形貌照片 图3-2 2＃表面形貌照片
图4 2S2902010A371断片低倍形貌照片
2.5 涂装工艺的原因
从本文中的图1和图4中可以看出，钢板弹簧在道路试验和用户使用过程中，因涂装质量不好，均很容易发生锈蚀，锈点影响疲劳寿命，成为钢板弹簧的断裂源。

另一方面，表面锈蚀会严重影响预应力喷丸工艺的效果。

喷丸工艺在弹簧表面形成的强化层厚度一般在0.1mm 左右，表面锈蚀后会破坏喷丸强化层，从而影响弹簧的疲劳寿命。

以上五点为作者在进行失效分析工作中遇到的钢板弹簧断裂原因，其中表面缺陷和喷丸工艺是产生断裂较多的两种原因，而其他三种原因出现得较少。

此外，还有例如冲击载荷作用、簧片形状等因素造成的钢板弹簧断裂的情况，因篇幅所限本文不进行叙述。

3．结论与建议
对于提高钢板弹簧疲劳寿命，减少断裂的发生，作者提出以下几点建议：
1．完善生产厂家的制造工艺，加强生产管理，保证我厂使用的钢板弹簧可以切实的达到图纸要求的各项技术指标；
2.
加强对钢板弹簧表面质量的控制，避免在机械加工、锻造、热处理以及运输等过程中产生
的表面缺陷；
3.加强对钢板弹簧涂装工艺的要求，以提高涂装防锈质量，保证和提高整车的使用寿命。

4.钢板弹簧断裂分析过程中还遇到了一些较难解释的断裂问题，例如高周疲劳断裂的钢板弹簧，其断口中时常出现的剪切疲劳断裂区域的情况；以及喷丸工艺中表面覆盖率的差异对疲劳寿命的影响等，还需要在将来的工作中进行进一步的研究。

载货汽车钢板弹簧断裂分析
作者：张喆
作者单位：长春一汽集团汽车材料研究所，长春市 130011本文链接：/Conference_7274526.aspx。