摘 要:某汽車懸架彈簧在質量測試過程中發生斷裂.通過宏觀檢查、化學成分分析、斷口分 析、金相檢驗、殘余應力測試、硬度測試和耐久性測試等方法對彈簧斷裂的原因進行了分析.結果 表明:彈簧鋼絲在冷卷工序時與刀具接觸過緊,兩者劇烈摩擦后生熱,引起彈簧組織變形而形成硬 而脆的白亮層,在沖擊載荷的不斷作用下,白亮層先產生裂紋,并最終導致彈簧斷裂.
關鍵詞:汽車懸架彈簧;斷裂;摩擦熱;組織變形;摩擦熱;組織變形;白亮層
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００６６Ｇ０４
汽車懸架彈簧作為懸架系統中的關鍵零件,直 接影響到懸架的減震性能、阻尼性能以及行駛的穩 定性[１].SWIＧ２００彈簧鋼因具有優良的熱處理性能 和力學性能,是制造懸架彈簧的常用材料,在汽車及 機械領域應用廣泛[２Ｇ３].導致懸架彈簧失效的主要 因素有彈簧的內部缺陷和表面缺陷.內部缺陷包括 組織異常、非金屬夾雜物等;表面缺陷包括卷簧過程 中的擦傷、燒 傷,熱 成 型 過 程 中 的 橘 皮、脫 碳 現 象 等[４Ｇ５].SWIＧ２００彈簧鋼為高強鋼,抗拉強度通常大 于２０００MPa,其內部或表面存在缺陷易導致彈簧 斷裂失效.
某汽車懸架彈簧材料為 SWIＧ２００彈簧鋼,彈簧 規格為?１３．２mm,制造工藝為:(淬火＋中溫回火) 盤條→冷卷→去應力回火→噴丸→壓縮→質量檢 查→噴粉→包裝.該懸架彈簧在裝配后的質量測試 過程中發生斷裂,為查明彈簧的斷裂原因,筆者對其 進行了檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢查
斷裂彈簧的宏觀形貌如圖１所示,可見彈簧斷 裂于頂端第一圈,這也是彈簧應力較高的部位.彈 簧斷面未見明顯的塑性變形,斷口附近有擦傷且局 部漆層已剝脫.
１．２ 化學成分分析
采用 Bruker型直讀光譜儀對斷裂彈簧進行化 學成分分析,結果見表１.可見斷裂彈簧的化學成 分滿足企業技術文件對 SWIＧ２００彈簧鋼成分的技 術要求.
１．３ 斷口分析
１．３．１ 斷口宏觀形貌分析
采用 VHXＧ２００E 型體視顯微鏡觀察斷裂彈簧 的斷口形貌,由圖２a)可見,斷口由兩部分(A,B區) 組成,斷面有清晰的放射狀裂紋.根據裂紋放射狀 棱線擴展的方向可判斷裂紋源有兩處,即裂紋源１ 和裂紋源２,如圖２b)所示.裂紋源１位于彈簧表 面,裂紋源２與彈簧表面距離為０．９mm.由于斷裂 后彈簧表面相互擦傷,裂紋源２的形貌已無法辨別, 而裂紋源１的表面漆層完好且未滲透到斷裂面,這 說明彈簧是在噴粉工藝后發生的斷裂.
１．３．２ 斷口微觀形貌分析
采用 EVO MA２５型掃描電鏡(SEM)觀察彈簧斷口的形貌,由圖３a)、圖３b)和圖３c)可見,斷口的 裂紋源區和 A 區均呈沿晶＋準解理＋二次裂紋形 貌特征,且晶面較干凈.斷口 B區呈韌窩＋準解理 小平面的形貌特征,如圖３d)所示.斷口 A,B區的 過渡區呈沿晶＋準解理＋二次裂紋＋韌窩形貌特征, 如 圖３e)所 示 .由 圖４可 見 ,彈 簧 裂 紋 源１處 有 很薄的白亮層,且白亮層有沿著變形方向流動的趨勢 (見圖４b)),而基體無此現象(見圖４a)),高倍下可 觀察到白亮層內部分布著許多細小的碳化物[６]碎片 (見圖４c)).
使用上述掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對斷口 A 區沿晶區域進行能譜分析,結果如圖５所示,可見 晶面上沒有腐蝕性元素,除了氧元素外,其他均為彈 簧基體材料元素.
１．４ 金相檢驗
在裂紋源１處沿縱向取樣,試樣經鑲嵌、打磨、拋光,使用體積分數為３％的硝酸酒精溶液浸蝕后, 使用 AXIOImager．A２m 型光學顯微鏡觀察.由 圖６a)可見,斷裂彈簧的顯微組織為均勻的回火屈 氏體.裂紋源１表面的白亮層深度為２６．１μm.高 倍下觀察到裂紋源１附近表面有微裂紋,微裂紋從 白亮層起源,以彎曲的鋸齒狀由外向內擴展,如圖 ６b)所示.
１．５ 殘余應力測試
使用 LXRDＧCHIMicroareaSystem 型殘余應 力測試儀分別在斷裂彈簧和合格彈簧的表面及距離 表面０．１,０．３,０．４mm 處進行殘余應力測試,結果見 表２.由表２可見,斷裂彈簧與合格彈簧表面殘余 應力接近,說明斷裂彈簧的殘余應力正常.
１．６ 硬度測試
使用 RB２０００型洛氏硬度計對彈簧的心部進行洛氏硬度測試,測得的心部硬度分別為５３．５,５４．２, ５４．６HRC,均符合企業技術文件中５２~５６HRC的 技術要求.使用ZWICKZHVUＧAF型維氏硬度計 對彈簧裂紋源１的白亮層進行維氏硬度測試,測得 裂紋源１的白亮層硬度為７２０~７５０HV０．１.
１．７ 耐久性測試
對彈簧進行耐久性測試,在不同沖擊載荷的不 斷作用下,發現彈簧的裂紋源１處的白亮層先開裂 并最終完全斷裂.
２ 分析與討論
從化學成分分析、顯微組織及硬度測試結果來 看,斷裂彈簧的化學成分、顯微組織、硬度均滿足技 術要求,且其表面殘余應力與合格彈簧非常接近,這 說明上述因素與彈簧的斷裂無關.
由彈 簧 斷 口 的 金 相 檢 驗 結 果 及 SEM 形 貌 可 見,裂紋源１表面有很薄的白亮層,白亮層內分布有 許多細小的碳化物碎片,由此推測白亮層內為鐵素 體相與碳化物的機械混合物[６].由于白亮層較薄且 存在組織變形,不易被浸蝕,因而白亮層呈現白色且 硬而脆.在耐久性測試過程中,白亮層先開裂并在 不斷沖擊下完全斷裂,由此推斷白亮層是造成彈簧 在測試過程中發生斷裂的直接原因.
從白亮層出現的位置來看,其位于彈簧線徑內 表面裂紋源處,在其他區域未發現白亮層;對另一根 斷裂彈簧進行理化檢驗發現,其斷口形貌、裂紋源位 置均與本次進行理化檢驗的斷裂彈簧的相似,且在 裂紋源處也存在白亮層,兩個斷裂彈簧白亮層出現 的位置相似,由此判斷彈簧原始線材存在白亮層的可能性較小.對彈簧成型工藝和過程進行排查后發 現,導致彈簧產生白亮層的工序只有冷卷工序,且上 述斷裂彈簧均為調試件,推測彈簧在調試過程中由 于卷制工藝控制不穩定,彈簧鋼絲與工裝刀具接觸 過緊導致兩者發生劇烈摩擦后生熱,引起彈簧組織 變形從而形成白亮層.
３ 結論及建議
彈簧鋼絲在冷卷工序中與刀具接觸過緊,兩者 劇烈摩擦后生熱,引起彈簧組織變形而形成硬而脆 的白亮層,在測試過程中,白亮層先產生裂紋,在沖 擊載荷的不斷作用下,最終導致彈簧斷裂.
建議生產企業在彈簧調試階段避免彈簧鋼絲冷 卷時與刀具接觸過緊,注意零件的表面質量,規范首 末件現場操作,加強監管和現場質量檢查.
參考文獻:
[１] 劉強．汽車懸架技術研究[J]．汽車實用技術,２０１７,４２ (３):８２Ｇ８４．
[２] 林文欽,鄭洪,朱麗,等．５０CrVA 彈簧斷裂原因分析 [J]．失效分析與預防,２０１６,１１(１):５６Ｇ５９．
[３] 姜濤,李春光,馬楠楠．５０CrVA 鋼扭簧斷裂失效分析 [J]．金屬熱處理,２０１２,３７(６):１１５Ｇ１１８．
[４] 金雙峰,程鵬,姜膺,等．彈簧的失效分析與預防技術 [J]．金屬熱處理,２０１１,３６(增刊):１４０Ｇ１４４．
[５] 孫智,江利,應鵬展．失效分析:基礎與應用[M]．北 京:機械工業出版社,２００５．
[６] 陳聯滿．拉拔鋼絲表面白亮層及形成原因分析[J]．金 屬制品,２００１,２７(３):４７Ｇ４９．