熊春英，羅學(xué)泉，鐘 球，唐新民

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

鋼板彈簧是大中型卡車懸架最廣泛選用的的彈性元件。本文分析的鋼板彈簧材質(zhì)為51CrV4，其熱處理工藝為:淬火(880±20℃，油冷)，回火(540±10℃，空冷)，鋼板彈簧片表面進(jìn)行噴丸及涂漆處理。該鋼板彈簧按國標(biāo)要求裝車路試行程45000 km后不發(fā)生斷裂為合格，但其搭載路試車進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，行駛16858 km時(shí)發(fā)生了早期斷裂失效。為了分析斷裂原因，解決失效問題，我們對(duì)鋼板彈簧的斷口形貌、材料組織與性能、受力情況等進(jìn)行了檢測(cè)分析。

1 檢測(cè)方法及結(jié)果

1.1 斷口宏觀檢測(cè)

鋼板彈簧為變截面板簧，其斷裂的位置離卷耳231～260 mm處，見圖1(a);斷口的宏觀形貌見圖1(b)。整個(gè)斷口表面較平坦，未見明顯塑性變形。根據(jù)斷面特征可將斷口分為兩個(gè)區(qū)，即1區(qū)和2區(qū)，見圖2(a)。1區(qū)位于上表面，呈灰白色，明顯可見對(duì)稱分布的疲勞弧線特征，初步可判斷為裂紋源，占整個(gè)斷面的極小一部分。2區(qū)上表面可見到較多的剪切唇，整個(gè)區(qū)呈銀灰色與紅銹色，表面較粗糙，判斷為裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)，約占整個(gè)斷面絕大部分。在鋼板彈簧斷口附近的上表面處出現(xiàn)漆層脫落，存在多處小凹坑形貌的微裂紋，見圖2(b)。

圖1 斷裂失效的鋼板彈簧(a)fractured position of leaf spring;(b)fracture of leaf spring Fig.1 The fractured leaf spring

圖2 鋼板彈簧斷口形貌(a)macroscopic morphology of fracture;(b)upper surface of leaf spring Fig.2 The fracture morphology of leaf spring

1.2 斷口的微觀檢測(cè)

對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡微觀分析，圖3(a)為源區(qū)的低倍顯微形貌，圖3(b)為源區(qū)的高倍顯微形貌，進(jìn)一步觀察到疲勞源區(qū)起始于零件的表面，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果顯示此區(qū)域未見明顯的冶金缺陷。圖3(c)是裂紋的擴(kuò)展區(qū)，可以明顯看到磨損、氧化的痕跡，且有較細(xì)密的疲勞條帶與二次裂紋。圖3(d)是斷口附近上表面的顯微形貌，可見較多的漆層脫落，并伴隨裂紋和腐蝕特征。

圖3 斷口微觀形貌及斷口附近上表面形貌(a)crack source in low magnification;(b)crack source in high magnification;(c)crack propagation extent;(d)upper surface near fracture Fig.3 The microscopic morphology of fracture and upper surface morphology of leaf spring

為了進(jìn)一步分析斷裂的原因，人工將上側(cè)表面的裂紋打開對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)斷口存在兩個(gè)疲勞區(qū)，即3區(qū)和4區(qū)。3區(qū)起源于彈簧片上表面，斷面可見明顯的疲勞條帶形貌，未見明顯的冶金缺陷，見圖4(a)。4區(qū)同樣可見疲勞條帶，并可見摩擦痕跡，見圖4(b)。

圖4 人工打開的斷口形貌(a)crack source 3 region in low magnification;(b)crack source 4 region in low magnificationFig.4 Artificial interrupted the fracture morphology

1.3 化學(xué)成分分析

在斷口附近截取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表1。結(jié)果顯示彈簧片的化學(xué)成分符合51CrV4要求。

表1 彈簧片化學(xué)成分及技術(shù)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition and technical requirement of leaf spring(ω，%)

1.4 金相組織檢測(cè)

在斷口附近沿彈簧片橫向截取金相試樣，經(jīng)研磨拋光后用濃度為4%的硝酸酒精腐蝕，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察其金相組織。金相分析結(jié)果顯示，靠近上表面和下表面的金相組織與心部組織不同，表層有一層由白色鐵素體組成的半脫碳層，且越靠近表面，鐵素體的比例越大，見圖5(a)和圖5(b)。心部組織較均勻，為回火屈氏體和少量未溶解的碳化物顆粒，越靠近心部，回火屈氏體分布越均勻，見圖5(c)。依據(jù)JB 3782—1984《汽車鋼板彈簧金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，試樣的金相組織為2級(jí)，滿足金相組織1～5級(jí)的要求。

圖5 斷口附近的金相組織(a)upper surface;(b)under surface;(c)core Fig.5 Metallographic structure near the fracture

1.5 脫碳層檢測(cè)

取金相試樣進(jìn)行脫碳層檢驗(yàn)，見圖6，測(cè)量結(jié)果見表2，其總脫碳層深度平均值均小于0.25 mm，符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求。此外，表面未見明顯的變形與缺陷。

表2 脫碳層測(cè)量結(jié)果Table 2 The measurement results of the decarburization

圖6 彈簧片金相試樣脫碳層形貌Fig.6 Decarburization morphology of leaf spring metallurgical sample

1.6 非金屬夾雜物測(cè)試

在彈簧片寬度的1/4處截取斷口的縱截面制備成金相試樣進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，結(jié)果見表3。評(píng)定結(jié)果顯示非金屬夾雜物等級(jí)符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求。

表3 非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果Table 3 The assessment of non-metallic inclusions

1.7 硬度測(cè)試

在彈簧片附近沿橫向截取硬度試樣，研磨拋光后進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試(載荷為500 gf)，并參照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算成洛氏硬度，結(jié)果見表4。由測(cè)試結(jié)果可知，彈簧片靠近上表面、靠近下表面和心部位置的硬度均較均勻，其中靠近上、下表面的硬度值均為38.0 HRC，心部硬度值為44.5 HRC。

表4 維氏硬度測(cè)試結(jié)果Table 4 The measurement results of vickers hardness

1.8 鋼板彈簧受力分析

鋼板彈簧縱截面為梯形的變截面，其示意圖見圖1。為了方便分析鋼板彈簧受力情況，可將其簡化成懸臂梁，卷耳為力的作用點(diǎn)，中間螺栓安裝孔可視為固定點(diǎn)，作用力為臺(tái)架耐久試驗(yàn)施加的力，即13600 N。通過式(1)可計(jì)算鋼板彈簧的受力情況，

式中:P為端部載荷;x為距端部距離;b為鋼板彈簧的寬度;W(x)為斷面的斷面系數(shù);t(x)為沿片長的厚度。

其結(jié)果見圖7，可看出在離吊耳220～350 mm之間受到最大的應(yīng)力。再檢測(cè)斷裂的鋼板彈簧時(shí)，發(fā)現(xiàn)其斷裂的位置都在離卷耳231～260 mm處，正好處于鋼板彈簧受力最大的范圍內(nèi)。受力分析結(jié)果表明，鋼板彈簧受到載荷時(shí)候，離卷耳220～350 mm處即斷裂處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼板彈簧是受到較大應(yīng)力，超過其承載的能力而發(fā)生了早期斷裂。

圖7 鋼板彈簧受力情況Fig.7 The forces of leaf spring

2 討論與分析

鋼板彈簧的斷裂都可以從斷裂力學(xué)角度出發(fā)尋找原因，通過宏觀斷口及微觀斷口的檢測(cè)，得出斷口上存在明顯的疲勞弧線與疲勞條帶并起源于彈簧片上表面，瞬時(shí)斷裂區(qū)形貌特征為沿晶加韌窩的混合特征，由此判斷彈簧片的斷裂性質(zhì)屬于疲勞斷裂。影響疲勞裂紋的擴(kuò)展的主要因素有［1］:1)材料本身的特性;2)零件受到的外力。從上述對(duì)彈簧片化學(xué)成分、金相組織、表面脫碳、夾雜物和硬度的各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果顯示，鋼板彈簧材料符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，說明外力是影響零件疲勞壽命的關(guān)鍵因素。當(dāng)外力較大時(shí)，在鋼板彈簧表面提前萌生微裂紋，并在此大應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展。在載荷較大時(shí)，裂紋僅需擴(kuò)展較小區(qū)域即能滿足應(yīng)力強(qiáng)度因子大于材料斷裂韌度的條件，而導(dǎo)致斷裂。此樣件的疲勞區(qū)域非常小，僅占整個(gè)斷口的面積的5%，屬于受到較大的應(yīng)力導(dǎo)致疲勞斷裂的情況［2］。

找到鋼板彈簧失效原因后，我們通過降低鋼板彈簧所受應(yīng)力方案的認(rèn)證，較好地解決了這個(gè)問題，從實(shí)踐中也進(jìn)一步證實(shí)了鋼板彈簧的失效是由于行駛應(yīng)力過大造成的。

［1］ 李慶芬，張奎，朱世范.斷裂力學(xué)及工程應(yīng)用［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998.

［2］ 朱華明，劉富續(xù).汽車鋼板彈簧斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)2物理分冊(cè)，2001，37(6):257－259.