汽车钢板弹簧断裂分析

朱华明，刘富绪

(江西省机械科学研究所，南昌330002)

摘　要：用化学分析、断口分析和金相检验等方法对断裂汽车钢板弹簧进行了分析。结果表明，钢板弹簧材质存在的夹杂物、带状组织和不同程度的表面脱碳，是导致钢板弹簧断裂的主要原因。

关键词：钢板弹簧；断裂；失效分析

1　情况简介

钢板弹簧是汽车悬架的重要组成部件，直接影响汽车行驶及操纵的稳定性，在汽车行驶时承受交变应力的作用。某厂几辆汽车分别行驶约3×104km，3.2×104km和3.3×104km后发生三起钢板弹簧的断裂失效事故。断裂钢板弹簧材料为60Si2Mn，热成形后进行淬火+回火处理。

2　检验与结果

2.1　化学分析

在三件断裂的钢板弹簧上分别取样(编为13号)进行化学成分分析，结果符合GB/T1222-1984标准要求，见表1。

2.2　断口分析

三件钢板弹簧的断裂均为疲劳断裂，见图1。图中A处均为疲劳源点，B区为最后瞬断区。1号钢板弹簧的疲劳裂纹扩展区占整个断口的2/3以上，疲劳裂纹扩展前沿线间距较宽，表明该钢板弹簧断裂时裂纹扩展所受的阻力较小。2号钢板弹簧的疲劳裂纹扩展区较小，瞬断区面积约占整个截面的2/3，表明该钢板弹簧服役时承受了较大的载荷。

(a)　1号钢板

(b)　2号钢板

(c)　3号钢板

图1　弹簧断口宏观形貌

3号钢板弹簧的疲劳裂纹扩展区约占整个断口的3/4以上，表明该钢板的疲劳裂纹向前扩展很顺利；而该钢板弹簧断口的瞬断区不到整个截面的1/4，说明该钢板服役时承受的载荷应力较小。

2.3　金相检验

在断口裂源处分别取样进行金相检验。

2.3.1　夹杂物检验

1号钢板的夹杂物较多，存在大颗粒的硅酸盐夹杂和细小的脆性夹杂物，见图2。

2号钢板的夹杂物数量多、颗粒大，主要是石墨夹杂物和脆性夹杂物，见图3，按GB/T1222-1984标准评为4级。

3号钢板的夹杂物十分严重，为均匀弥散分布的细小颗粒，见图4，超过了标准中最严重的4级。

图2　1号钢板裂纹源处的夹杂物　100×             图3　2号钢板裂纹源处的夹杂物　100×

图4　3号钢板裂纹源处的夹杂物　100×

2.3.2　显微组织检验

1号钢板的显微组织为较粗大的回火屈氏体+羽毛状上贝氏体+少量铁素体，同时可看到明显的带状组织，见图5。

2号钢板的显微组织为回火屈氏体+网状铁素体，按弹簧钢金相标准评定为6级，见图6。

3号钢板的显微组织为回火索氏体+少量条块状铁素体，按标准评定为56级，见图7。

图5　1号钢板裂纹源处显微组织　400×               图6　2号钢板裂纹源处显微组织　400×

图7　3号钢板裂纹源处显微组织　400×

2.3.3　表面脱碳检验

1号钢板的脱碳层深度约0.12mm，表面存在块状和网状分布的铁素体，见图8。

2号钢板的表面脱碳层深度约0.20mm，其中全脱碳层深度约0.05mm，见图9。

3号钢板的表面为轻度脱碳，脱碳层深度约为011mm。

   图8　1号钢板的表面脱碳　200×                      图9　2号钢板的表面脱碳　200×

3　分析与讨论

因钢板弹簧是在频繁承受交变的压2弯载荷、冲击和振动等状态下工作，因此必须具备较高的弹性极限、屈强比和疲劳极限，以及较好的冲击韧性和塑性，才能经受较大的弹性变形，同时避免在交变载荷作用下产生永久变形和疲劳破坏。

在硅锰系弹簧钢中，由于同时加入硅和锰，使得弹簧钢的淬透性显著增加，强化铁素体，提高了弹簧钢的屈强比和疲劳强度，同时能有效降低热处理时弹簧钢的脱碳敏感性和过热敏感性。因而以60Si2Mn为代表的硅锰系弹簧钢被制成钢板弹簧广泛用于汽车、拖拉机中。

非金属夹杂物在钢中一般数量很少，但对钢材性能的影响不可忽视。已有研究表明，夹杂物对钢的强度影响不大，但对钢的疲劳性能、冲击韧性和塑性影响很大。

在机械零件的全部失效中，疲劳断裂约占90%。疲劳破坏是一个裂纹产生、扩展及最终断裂的过程。由于非金属夹杂物是以机械混合物的形式分布在钢中，其本身强度性能很差，从而破坏钢基体的连续性和均匀性；此外，夹杂物处易产生应力集中，往往就成为疲劳裂纹的发源地。机械零件承受外力作用时，常会沿着夹杂物与其周围的金属基体的界面处首先形成疲劳裂纹，并加快裂纹的扩展，从而进一步降低其疲劳寿命。

夹杂物的性质、大小、数量、形态和分布等不同，对疲劳寿命的影响也不同。当夹杂物呈聚集分布且数量较多时，如本文中的3号钢板，其对疲劳寿命的危害较大；当夹杂物位于零件表面层或应力集中的高应力区时，其危害性更大。本文中的三件钢板的裂纹源均位于近表面处。

表面脱碳会明显影响钢材的性能。本文中三件断裂钢板均存在不同程度的表面脱碳，尤其是2号钢板脱碳很严重，全脱碳层深度约0.05mm。由于铁素体硬度低，必然会降低钢板的强度和疲劳强度，加快疲劳裂纹的扩展。

1号钢板裂纹源处的显微组织为回火屈氏体+上贝氏体+少量铁素体；2号钢板的显微组织为回火屈氏体+网状铁素体；3号钢板的组织为回火屈氏体+少量条块状铁素体。由于这些上贝氏体或铁素体的存在，导致基体的强度明显降低，破坏基体组织的连续性，从而降低钢板的疲劳强度，加快疲劳裂纹的扩展，导致钢板的最终断裂。

此外，在1号钢板的显微组织中，存在严重的带状组织偏析，带状组织的分布方向与断口平行。带状组织是在热轧变形时产生的，而在随后的正火或再结晶回火时未被消除。带状组织的存在，破坏了钢材成分的均匀性和组织的连续性，也必然会降低钢板的疲劳强度。

4　结论

汽车钢板弹簧的断裂为早期疲劳断裂。产生疲劳断裂的主要原因是钢板弹簧材质存在严重的夹杂物、带状组织等显微组织缺陷，在交变的弯曲载荷作用下，缺陷处易形成疲劳裂纹源；加之钢板弹簧表面存在不同程度的脱碳现象，脱碳层降低了钢板材料的疲劳强度，最终导致钢板弹簧断裂。