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        后螺旋彈簧斷裂失效分析

        2018-05-14 01:07:08陳磊龐院高朝乾
        汽車零部件 2018年1期
        關(guān)鍵詞:螺旋彈簧脫碳斷口

        陳磊,龐院,高朝乾

        (吉利汽車研究院有限公司,浙江寧波 315336)

        0 引言

        螺旋彈簧作為汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分,在車輛的行駛過程中起著緩沖和減震的作用,對車輛的安全性與平穩(wěn)性起著至關(guān)重要的作用。彈簧在工作時往復(fù)壓縮,受到周期性的交變應(yīng)力,彈簧受力狀況復(fù)雜,經(jīng)常出現(xiàn)早期斷裂失效,因此很有必要對提高彈簧的疲勞壽命進(jìn)行研究[1-2]。

        某汽車公司進(jìn)行底盤強(qiáng)化循環(huán)試驗(yàn),經(jīng)過120個循環(huán)試驗(yàn)后,彈簧沒有出現(xiàn)異常,滿足疲勞壽命的要求。隨后進(jìn)行至135循環(huán)(增加15循環(huán))時后螺旋彈簧發(fā)生斷裂。為了提高產(chǎn)品的疲勞使用壽命,針對彈簧的斷裂原因進(jìn)行了化學(xué)成分分析、硬度分析、斷口分析、金相組織分析、夾雜物分析,以找出斷裂的原因。

        1 彈簧生產(chǎn)工藝

        材料牌號SAE9254,直徑φ14.0 mm。彈簧的生產(chǎn)工藝流程如下:冷卷→打磨→去應(yīng)力退火→拋丸處理→立定處理→負(fù)荷測試→表面處理→包裝。

        2 檢測內(nèi)容與結(jié)果

        2.1 化學(xué)成分

        從彈簧(SAE9254)斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表1,測試結(jié)果滿足技術(shù)條件的要求,彈簧化學(xué)成分合格。

        表1 后螺旋彈簧化學(xué)成分測試(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        2.2 硬度

        在后螺旋彈簧斷裂附近取樣進(jìn)行硬度測試,硬度的測試結(jié)果為52.5HRC、53.5HRC、54HRC,符合51~56HRC的技術(shù)要求,彈簧硬度合格。

        2.3 斷口分析

        2.3.1 宏觀斷口分析

        后螺旋彈簧在第二圈處斷裂,由于運(yùn)輸存放的原因,斷口表面出現(xiàn)紅銹。在圖1中 A區(qū)(擴(kuò)展區(qū))存在明顯的貝紋線,從貝紋線的擴(kuò)展方向(圖1箭頭所示)來看,裂紋源起源于彈簧表面;B區(qū)是瞬斷區(qū),從整個斷口面積來看,疲勞擴(kuò)展區(qū)較少,而瞬時斷裂區(qū)較大,說明該彈簧最后斷裂時承受了較大的應(yīng)力;同時在C區(qū)能看到呈臺階疲勞條帶,說明裂紋源不只一處[3]。綜合宏觀斷口分析,初步判定為多源疲勞斷裂。

        圖1 后螺旋彈簧宏觀斷口形貌

        2.3.2 微觀斷口分析

        將斷口表面清洗除銹后在掃描電鏡下做微觀分析顯示:在彈簧表層存在明顯的由于噴丸處理引起的表面塑形變形的痕跡,表面存在明顯折疊缺口,如圖2虛線框處所示,折疊的長度大約50 μm。折疊的產(chǎn)生來至于兩個方面:(1)線材改制拉拔過程中原材料的表面缺陷;(2)在強(qiáng)力噴丸過程中產(chǎn)生[4]。對近表層進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)有塊狀物質(zhì),在塊狀物質(zhì)周圍存在明顯的二次裂紋,見圖3。微裂紋會在夾雜物上進(jìn)行形核,隨后聚合、長大、擴(kuò)展,導(dǎo)致材料斷裂。對塊狀物進(jìn)行EDS(Energy Disperse Spectroscopy)分析,見圖4,“Fe”元素可能是因?yàn)槌P不徹底而存在的,推測夾雜物是由Al2O3、SiO2、CaO等組成的復(fù)合夾雜物。擴(kuò)展區(qū)能觀察到明顯的疲勞輝紋[5],見圖5。更進(jìn)一步說明斷裂類型為疲勞斷裂。

        圖2 表層微觀形貌

        圖3 近表層微觀形貌

        圖4 圖3的EDS分析

        圖5 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

        2.4 金相組織

        對后螺旋彈簧斷裂件取樣開展表面脫碳層、金相組織分析,檢測結(jié)果如下:

        (1) 表面無明顯脫碳,見圖6,符合表面脫碳層深度不大于14 μm 的技術(shù)要求;

        (2) 芯部橫截面組織為保持馬氏體位相的回火屈氏體組織,見圖7,符合金相組織的要求;

        (3) 芯部縱截面組織存在明顯的帶狀組織,見圖8,帶狀組織的出現(xiàn)會使彈簧出現(xiàn)各向異性,并對力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響;同時存在明顯的黑色的偏析帶[6],見圖8虛線方框內(nèi)所示。

        圖6 表面脫碳層100×

        圖7 基體組織 500×

        圖8 芯部縱截面組織 100×

        2.5 非金屬夾雜物分析

        對斷裂螺旋彈簧縱向取樣開展非金屬夾雜物分析,結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知:斷裂彈簧的非金屬夾雜物符合技術(shù)要求,但A類夾雜偏多(見圖9),同時發(fā)現(xiàn)有金黃色的氮化物夾雜物(見圖10)。夾雜物的存在會破壞材料的連續(xù)性,造成應(yīng)力集中、韌性下降,導(dǎo)致零部件的使用壽命降低[7]。

        表2 非金屬夾雜物測試

        圖9 A類非金屬夾雜 100×

        圖10 非金屬夾雜 500×

        2.6 實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)模擬

        現(xiàn)場抽取4件開展臺架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證,螺旋彈簧疲勞耐久50萬次未出現(xiàn)斷裂,符合設(shè)計(jì)值50萬次不斷裂的要求,試驗(yàn)追加至58.5萬次時發(fā)生斷裂。與強(qiáng)化耐久實(shí)驗(yàn)一樣,120個循環(huán)不斷裂,追加至135個循環(huán)時發(fā)生斷裂。彈簧的工藝制造能滿足設(shè)計(jì)要求,但是超過疲勞壽命后斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。

        3 結(jié)論

        (1)螺旋彈簧材料SAE9254化學(xué)成分、硬度及脫碳層深度的控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi);

        (2)彈簧斷裂源起源于表面的折疊裂紋,原材料的夾雜物特別是A類夾雜物的偏多加速裂紋的擴(kuò)展;同時材料存在明顯的偏析與帶狀組織,使彈簧各向異性,降低了使用壽命,導(dǎo)致彈簧的多源疲勞斷裂;

        (3)從整車耐久和抽樣疲勞耐久試驗(yàn)結(jié)果看來,螺旋彈簧均是在產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求后短時間內(nèi)便發(fā)生了失效,說明如果彈簧在原材料質(zhì)量或后續(xù)加工工藝等方面管控不當(dāng)?shù)脑?,可能會使螺旋彈簧在使用過程中出現(xiàn)提前斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]張文春.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

        [3]孫宜強(qiáng),吳超,魯修宇,等.55SiCr汽車懸架彈簧早期失效分析[J].物理測試,2014,32(4): 44-46.

        SUN Y Q,WU C,LU X Y,et al.Early Failure Analysis of 55SiCr Automobile Suspension Spring[J].Physics Examination and Testing,2014,32(4): 44-46.

        [4]王仁智,姜傳海.汽車懸架簧早期疲勞斷裂原因的試驗(yàn)研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2012,33(6):127-135.

        WANG R Z,JIANG C H.Investigation on Early Fatigue Fracture for Automobile Suspension Springs[J].Transactions of Materials and Heat Treatment,2012,33(6):127-135.

        [5]姜錫山,趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

        [6]賴泓州.60Si2Mn彈簧扁鋼帶狀組織形成機(jī)理及對性能的影響研究[D].贛州:江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2014.

        [7]田中健.鐵路貨車轉(zhuǎn)向架圓彈簧疲勞壽命影響因素的分析研究[D].重慶:重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2005.

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