钢板弹簧失效分析

斯太尔991车钢板弹簧失效分析
摘 要：文章针对斯太尔991车发生的进口板簧断裂事故，在分析失效件的基础上，采取有关材料失效分析技术，得出该板簧的早期失效原因，为有效控制产品质量提供了依据。

叙 词：汽车；钢板弹簧；失效分析
1 概述
重汽公司技术中心质检所在总后试车场进行斯太尔991车3万km道路试验中，汽车在行驶至17491km时，车上装用的进口板簧左前板簧第一片断裂，行驶至19696km时后板簧第一片、第二片断裂。

为查明失效原因，特对断裂件进行了分析。

2 断口宏观观察
前簧断在离骑马螺栓中心孔350mm处，在板簧受拉面有两个裂纹源，裂纹源产生在直径约3mm的小坑内；断口具有典型早期疲劳失效特征:具有贝壳纹特征的疲劳裂纹扩展区占整个断面的10%左右，瞬断区占90%左右，如图1所示。

后簧第二片断在包耳开卷处，断口为早期疲劳失效特征，断口附近有多处疲劳裂纹源(如图2所示)，且在断口附近有多条与断口同向深度在0.2mm左右的裂纹。

图1 前簧宏观断口(箭头指裂纹源) 图2 后簧第二片宏观断口(箭头指裂纹源)
3 化学成分
化学成分检测结果见表1，符合DIN17222中58CrV4的成分要求。

4 硬度检查
前后簧布氏硬度测量结果为：前簧HB417，后簧HB411。

5 金相检查
(1)前簧
在断裂处附近取样，基体为回火屈氏体组织，表面脱碳层深度为0.21mm。

显微硬度检查脱碳层如表2。

在裂纹源小坑处取样，表层为白亮层，白亮层厚度约为0.2mm；对试样进一步腐蚀，经观察得知白亮层为马氏体组织，如图3所示；白亮层显微硬度HV0.2=743，心部基体显微硬度HV0.2=396。

图3 白亮层组织 400×
(2)后簧
在裂纹附近取样，心部为回火屈氏体组织，表面脱碳层为0.28mm。

显微硬度检验脱碳层，结果见表3。

6 电镜观察及能谱分析
利用SEM535、EDAX进行断口及微区成分分析，得知前簧裂纹源有两处存在许多附着物，裂纹源形貌如图4所示；用能谱仪进行定量分析，确定附着物的主要成份为锌元素，裂纹源小坑内有金属熔化流动结晶现象，附近存在很多小裂纹。

后簧第二片上存在多处裂纹源，Ⅰ处裂纹源形貌如图5，Ⅱ处裂纹源形貌如图6。

图4 前簧裂纹源形貌(箭头指附着物所在位置) 图5 后簧Ⅰ处裂纹源形貌
图6 后簧Ⅱ处裂纹源形貌
7 分析与讨论
(1)经硬度检查，按DIN50150标准，将布氏硬度值换算成抗拉强度值，所有强度值都在1385～1420MPa之间，符合DIN 标准1370～1570MPa的要求，但偏下限。

(2)通过对前簧的检查，发现板簧受拉面裂纹源处有小坑存在，板簧表面涂有含锌的漆，表层组织为马氏体，有金属熔化流动结晶现象。

可以认为，在板簧生产过程中，由于某种原因小坑处的金属发生熔蚀而造成小坑，熔化的金属结晶，并且在随后的快冷中形成马氏体，在此过程中也产生了裂纹。

从断口处可看出，由小坑底部开始形成辐射状的台阶和线痕，在小坑底部与辐射状的的台阶处有主要含锌的附着物。

锌来自漆中，它随钢板涂漆进入小坑并直到裂纹前沿。

汽车在行驶过程中，板簧小坑处应力集中，在反复弯曲载荷作用下，小坑中两个最深的地方成为疲劳源，此处裂纹扩展，加上表面脱碳的影响，引起板簧断裂。

因此，零件表面小坑的存在是造成前簧早期失效的主要原因。

(3)通过对后簧卷耳处进行检查，发现在断口附近有很多与断口同向的裂纹，深度在0.2mm左右，表面有0.28mm的脱碳层，并且卷耳处又没有喷丸强化，表面强度低。

汽车在运行过程中，因卷耳处表面强度低，受力复杂，特别在环形端头外侧面表面质量不好，在交变力的作用下断口附近便产生同向裂纹。

因此，表面脱碳造成板簧表面强度低是后簧断裂的主要原因。

(4)斯太尔991车经过在总后道路试车场各种路面上进行行驶、制动，钢板弹簧受拉面承受了较大的力。

通过对前簧、后簧断口的检查，发现裂纹扩展区都很小，这说明板簧实际受力较大。

板簧实际受力大也是造成早期失效的原因。

8 结论与建议
钢板弹簧因单向弯曲疲劳而早期失效；表面小坑的存在及脱碳是前簧失效的主要原因；卷耳处表面脱碳造成表面强度低，是后簧断裂的主要原因；板簧受力大，加速板簧的早期失效。

因此，在汽车板簧的生产中，应注意采用具有良好的表面质量、表面无脱碳层的板材，并且避免超载或在恶劣的路况上行驶。