轻型车钢板弹簧断裂原因分析与改进

1 2 1 1 2张炜 惠恩栋 潘艳春 高东宏 赵凤梅1. 130011;2. 111000) ( 中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春 富奥辽宁汽车弹簧有限公司,辽阳

Automobile Technology & Material - - 生 产现场 -

摘要:针对轻型车钢板弹簧在台架疲劳试验中早期断裂的问题,通过对钢板弹簧断裂样品进行受力结构、断口及理化检验等分析,确定淬火开裂是导致钢板弹簧发生断裂的直接原因。通过对钢板弹簧的热处理工艺提出改进措施,使钢板弹簧热处理后的硬度、显微组织和晶粒度满足技术要求,提高了钢板弹簧的疲劳寿命。关键词:弯曲载荷 断口分析 淬火开裂 热处理 疲劳试验TG142 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20170200中图分类号: 文献标识码:

1 前言

钢板弹簧是汽车悬架系统中重要的弹性零件,它是由若干个弹簧片组合而成的近似等强度的弹性梁,通过使车架与车桥之间作弹性连接,起到缓和由车轮传递到车架的冲击,影响车辆的平顺性、安全性及舒适性[1]。钢板弹簧具有结构简单、成本低、工作可靠且维修方便等优点,被广泛应用于轻、中、重型等商用车,原材料一般为热轧

60SI2MNA 55CRMNA 50CRVA态的合金弹簧钢,如 、 、等,经过变截面轧制、卷耳加工、热处理、喷丸处理、表面处理等工艺制成[2]。热处理是钢板弹簧生

+产工艺中最重要的环节,一般采用淬火 中温回火的处理工艺,保证材料获得较高的弹性极限和疲劳极限,以满足钢板弹簧在交变载荷下的可靠性要求。

某公司生产的轻型车钢板弹簧在进行台架疲

2.2劳试验时发生断裂,疲劳寿命仅为 万次,未满

16足规定的大于 万次的疲劳寿命技术要求。主要通过受力结构、宏观和微观断口、硬度、显微组织及晶粒度等分析钢板弹簧发生断裂的原因,依此提出可行的工艺改进措施,并对改进后的钢板弹簧进行可靠性验证。

2 钢板弹簧受力结构及断口分析2.1 受力结构分析

1,钢板弹簧台架疲劳试验装置见图 钢板弹簧在两端卷耳和中间平直段处三点受力,通过中间曲柄连杆机构的上下移动施加交变的弯曲载荷,在平直段螺栓夹紧处的应力最大。

1986—),作者简介:张炜( 男,工程师,学士学位,研究方向为金属材料和制造工艺的开发及应用技术。

2.2 宏观断口分析

280 mm钢板弹簧第一片在距中心孔约 处发生2断裂,断口宏观形貌见图。由图可见,钢板弹簧沿着横截面方向发生断裂,断口有明显的疲劳源45°区、疲劳扩展区和瞬断区,断口边缘有 角的剪切唇,属于弯曲载荷下的疲劳断裂。疲劳源位于黑色虚线框内,并沿着箭头所示方向发生进一步的扩展,直至断裂。 利用低倍显微镜对断口疲劳源区进一步放大3, AB C观察,见图断口可以分为三个区域: 、 和A区。 区颜色最深,断口受到了严重的氧化或腐B A蚀,同时也说明该部分形成时间最早;区较 区颜色较浅,呈半椭圆形分布,可以观察到明显的疲C劳弧线; 区颜色最浅,具有典型的金属光泽,其形A成时间也是最晚的。因此,可以初步判断 区应该是在疲劳裂纹萌生前就已经形成,在交变弯曲A B载荷作用下疲劳裂纹萌生于 区和 区交界的位B C置,经由区的放射状扩展,扩展到 区时便发生瞬时断裂。

2.3 微观断口分析

A运用扫描电镜对钢板弹簧断口 区进行微观形4 A貌的观察,见图 。断口 区呈冰糖状的沿晶断裂形貌,晶粒粗大,且在晶粒表面发现有薄层的覆盖A A物,这应该就是导致 区颜色深的原因。对断口5, Fe C区的表面进行能谱分析见图 结果表明除 、、Cr Mn Si A、 、 等元素外, 区发现有大量的氧元素,依此 A判断 区表面发生氧化形成了薄层的氧化产物。 A B 6断口 区和 区交界处的微观形貌见图 。A B断口 区和 区的微观形貌有较大的差别,表明这两个区域的形成机理、形成时间均不同,同时交界处还存在大量沿晶界开裂的二次裂纹。 7 8 B图 、图 分别为断口 区的微观形貌和能谱分9 10 C析,图 、图 分别为断口 区的微观形貌和能谱分B析。由图可见,断口 区具有台阶、河流花样等微观C特征,属于典型的疲劳裂纹局部扩展形貌[3], 区为细碎的解理断裂形貌,这与疲劳裂纹的快速扩展有关; B C Fe C Cr Mn Si断口 和 区能谱分析中仅有 、、 、 、 等元素,未发现氧元素,表明这两部分表面未发生氧化。 3 理化检验分析3.1 元素含量检验采用光电直读光谱分析仪,根据 GB/T 4336-

2002《碳素钢和中低合结钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)》标准进行元素含量的检验,结1 1 55CRMNA,果见表 。由表 可见,钢板弹簧材料为C Si Mn Cr S P所含的 、 、 、 、、 等元素含量符合材料技C Mn Cr术要求,但是对材料淬透性影响显著的 、 、等三种合金元素含量均偏于上限。 GB/T 13298- 2015《金属显微组织检验方法》标准进

2行硬度、显微组织及晶粒度的检验,结果见表 。由

2表 可见,钢板弹簧的热处理硬度偏高,这主要是由于回火加热温度低或者保温时间过短;显微组织为

5粗大的针状回火马氏体,晶粒度为 级,造成这一现象的主要原因是淬火加热温度过高,导致奥氏体晶粒异常长大,淬火后获得粗大的马氏体组织,经回火处理后回火马氏体组织也发生粗化。

综合以上分析可知,钢板弹簧淬火后在一侧面发生开裂,经后期回火加热使淬火开裂处的表

A面发生氧化,形成断口上颜色最深的 区。淬火开裂是一种严重的热处理缺陷,在交变的弯曲载荷作用下淬火开裂处极易萌生疲劳裂纹并不断向纵深缓慢亚稳扩展,当疲劳裂纹扩展至有效截面上的应力达到材料的断裂强度时,疲劳裂纹便快速失稳扩展从而发生瞬时断裂。因此,淬火开裂是导致钢板弹簧发生早期疲劳断裂的直接原因。造成该钢板弹簧发生淬火开裂的主要原因有以下几点。

图3 断口疲劳源区形貌

图6 断口A区和B区交界微观形貌

图2 断口宏观形貌

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