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        汽車前螺旋彈簧斷裂分析

        2022-09-01 13:17:34曾云玲褚明志
        金屬加工(熱加工) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        曾云玲,褚明志

        廣汽乘用車有限公司 廣東廣州 511434

        1 序言

        螺旋彈簧是廣泛適用于獨(dú)立型懸架系統(tǒng)的一種彈性元件類型,在行駛過(guò)程中承受高頻率往復(fù)壓縮運(yùn)動(dòng),起著緩沖和減振作用,以提高駕駛過(guò)程中舒適性和安全性。螺旋彈簧質(zhì)量對(duì)車輛平穩(wěn)性、安全性起著至關(guān)重要的作用。螺旋彈簧常見的失效模式有脆性斷裂、疲勞斷裂、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕疲勞、氫脆等[1-4]。

        某車型右前螺旋彈簧在行駛約10萬(wàn)km后發(fā)生斷裂。斷裂彈簧采用55SiCr6鋼,熱處理工藝為淬火+回火,組織要求為回火屈氏體,硬度要求47~56HRC,脫碳層深度不超過(guò)直徑(φ12.9mm)的1%。

        2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

        2.1 斷口宏觀觀察

        圖1 故障件整體結(jié)構(gòu)

        故障件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 斷裂發(fā)生在彈簧端圈0.75圈位置,即底座與彈簧分離處,如圖2所示(紅色箭頭指向位置)。裂紋源位于與彈簧縱向垂直的彈簧側(cè)表面,該位置涂層磨損脫落,表面生銹,疑似受到?jīng)_擊引起表面涂層脫落,如圖3所示。其他位置未見異常損傷。彈簧斷口無(wú)明顯塑性變形,呈脆性斷裂特征,如圖4所示。

        圖2 安裝

        圖3 表面銹蝕區(qū)域

        圖4 斷口形貌

        2.2 斷口微觀觀察

        圖5 斷裂源區(qū)龜裂狀泥紋花樣

        從斷口微觀可以看出,斷裂源區(qū)呈龜裂狀泥紋花樣特征(見圖5),存在較多腐蝕產(chǎn)物和腐蝕凹坑(見圖6)。擴(kuò)展區(qū)域是大量的小晶面和解理臺(tái)階組成的解理形貌(見圖7)。對(duì)斷口源區(qū)進(jìn)行能譜成分分析,結(jié)果表明,除基體元素外,裂紋源附近氧含量非常高,還含有一定量的Cl元素(見圖8)。

        圖6 斷裂源區(qū)腐蝕凹坑

        圖7 擴(kuò)展區(qū)解理形貌

        圖8 斷口源區(qū)能譜分析結(jié)果

        2.3 材質(zhì)測(cè)試

        采用GB/T 4336—2002 《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》進(jìn)行材質(zhì)測(cè)試,結(jié)果滿足供應(yīng)商提供的材料協(xié)議。

        2.4 硬度檢測(cè)

        在故障彈簧截面取樣進(jìn)行硬度檢測(cè),采用GB/T 230.1—2009 《金屬材料洛氏硬度測(cè)試方法》對(duì)試樣硬度進(jìn)行檢測(cè),試樣硬度為52.5~53.5HRC,滿足工藝要求的47~56HRC。

        2.5 金相分析

        垂直于斷口表面,沿裂紋源區(qū)橫向截取試樣進(jìn)行金相分析,裂紋源一側(cè)表面發(fā)現(xiàn)大量腐蝕凹坑(見圖9),尺寸較大的寬度約0.145mm、深度約0.102mm。在對(duì)側(cè)未見到腐蝕特征。彈簧金相組織為均勻細(xì)小的回火屈氏體(見圖10),表面無(wú)明顯脫碳現(xiàn)象,符合技術(shù)要求。

        圖9 表面腐蝕凹坑

        圖10 回火屈氏體組織

        3 分析與討論

        通過(guò)對(duì)試樣的宏觀觀察和微觀分析所揭示的各種形態(tài)特征及腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果可以看出:斷口附近及表面均未見明顯塑性變形及機(jī)械損傷的痕跡;斷口呈解理斷裂特征,斷口表面有腐蝕凹坑、二次裂紋及腐蝕溝槽,腐蝕凹坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物有應(yīng)力腐蝕的泥紋花樣特征;斷裂源區(qū)附近氧含量很高,且存在一定的腐蝕性介質(zhì)氯(Cl)。

        彈簧通常用剛性材料制成,由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn),因此各類缺陷、應(yīng)力及腐蝕影響甚為敏感[3,5]。汽車底盤使用環(huán)境較為惡劣,彈簧底座與彈簧分離的位置易儲(chǔ)存水汽,當(dāng)有硬物進(jìn)入時(shí),彈簧在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中涂層逐漸被磨損,鋼基體暴露。在腐蝕環(huán)境下(撒了融雪劑的冬天、礦山及沿海地區(qū)等),鋼基體失去涂層的保護(hù),表面形成腐蝕凹坑,裂紋萌生并向心部擴(kuò)展,最后瞬間斷裂。

        綜上分析,該車輛在行駛過(guò)程中,彈簧底座進(jìn)入了碎石等較硬物質(zhì),彈簧斷裂處反復(fù)與底座碎石擠壓,碎石沖擊造成彈簧表面涂層被破壞,基體在暴露環(huán)境下逐漸腐蝕。在持續(xù)的腐蝕和沖擊下,腐蝕坑逐漸擴(kuò)大,應(yīng)力集中效應(yīng)明顯,裂紋形成并迅速擴(kuò)展,從而導(dǎo)致彈簧失效斷裂。

        4 結(jié)論與建議

        1)彈簧的斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。彈簧受機(jī)械損傷致使表面涂層剝落,造成腐蝕源。氯離子等腐蝕介質(zhì)和高頻率的工作環(huán)境促使拉伸應(yīng)力逐漸增加,為應(yīng)力腐蝕開裂提供了條件。

        2)建議優(yōu)化底座結(jié)構(gòu)或?qū)椈筛考友b防護(hù)套,避免涂層因受到異物擠壓而提前破壞,引起早期失效。

        3)優(yōu)化涂裝工藝,可采用雙涂工藝增加涂層厚度和硬度。

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