夏 彪,王 磊
(南京依維柯汽車有限公司,南京 ２１１８０６)
摘要:某汽車在可靠性道路試驗中,前橋橫置板簧發生了斷裂.通過宏觀分析、微觀分析、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗等方法,對板簧的斷裂原因進行了分析.結果表明:板簧表面存在由噴丸工藝不當引起的微小折疊缺陷,折疊部位存應力集中,為疲勞裂紋萌生創造了條件,在可靠性道路試驗時,板簧處于反復交變彎曲載荷作用下,裂紋不斷擴展,最終導致板簧發生了疲勞斷裂.
關鍵詞:板簧;噴丸工藝;折疊缺陷;裂紋;疲勞斷裂
中圖分類號:TG１５７ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０７Ｇ０５１２Ｇ０３
目前歐系商用車的前橋正在向具有橫置板簧的結構形式發展,此結構形式前橋與傳統前橋相比質量減輕３％~７％,承載能力提升６％,具有制動性能優良及便于維修等優點.橫置板簧前橋由橫置板簧、雙叉臂式擺臂總成、轉向機構及輪轂等零部件構成,其中橫置板簧主要作用是儲存能量和減輕震動,是該系統中的重要零件,其作為彈性元件受力最為復雜多變且工作環境惡劣,因此對板簧質量的要求較高.某汽車在可靠性道路試驗中,完成試驗里程的８１．９％時,前橋橫置板簧發生斷裂失效.該板簧采用５０CrVA 鋼加工制造而成,主要生產工藝為:下料→矯直→軋制→打彎→淬火→回火→噴丸→電泳等[１].現場勘查道路試驗條件,載荷、道路狀況等均滿足試驗要求.將前橋拆解后,檢驗擺臂、彈性墊塊等與板簧連接的零部件,均滿足圖紙或技術文件要求.為找出該橫置板簧斷裂的原因,筆者對其進行了檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
板簧斷裂處位于一端頭部,如圖１所示.宏觀觀察可見,板簧斷口較為平整,為灰白色,呈現典型疲勞斷口形貌,如圖２所示.疲勞源位于板簧受拉表面中間部位,該處存在淡黃色的銹蝕特征,這與裂源處開裂較早相關.疲勞裂紋擴展區處貝紋線清晰可見,瞬斷區具有明顯放射花樣[２].裂紋源區與疲勞擴展區在斷口面占比較小,表明材料在瞬斷時承受較大的沖擊載荷,與滿載的試驗條件相符.
１．３ 化學成分分析
用固定式全譜直讀光譜儀分析板簧的化學成分,結 果 見 表 １,可 見 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T１２２２－２０１６«彈簧鋼»對５０CrVA 鋼成分的要求.
１．４ 硬度測試
經測試板簧中心部位硬度為４７HRC,符合技術要求(４５~５０HRC).技術要求中,為檢測脫碳層的影響,保證表面具有合適性能,采用硬度法測量距表面２mm 處的硬度,要求其大于距表面５mm 處硬度的８０％,實測距表面２mm 處硬度為４７１HV０．２,距表面５mm 處硬度為４８６HV０．２,可見表面脫碳情況亦符合技術要求。
１．５ 金相檢驗
從斷裂源處取樣,磨 制、拋 光、浸 蝕 后 在 金 相顯微鏡下觀察,如圖４所 示.疲 勞 源 及 其 附 近 表面 均 出 現 金 屬 的 變 形 和 各 種 形 態 的 折 疊 紋 和 凹坑,如圖４a)所示,微裂紋沿凹坑底部或折疊紋尾端向中 心 垂 直 擴 展,由 此 可 見 裂 紋 源 自 折 疊 尾部.板 簧 表 面 有 部 分 脫 碳,脫 碳 層 深 度 約為０．２５ mm.
板簧經８５０ ℃淬火＋４６０ ℃回火熱處理后,其顯微組織為回火屈氏體＋少量鐵素體,中心部位組織由于成分的不均勻,呈現出沿軋制方向分布的條帶狀組織形貌,如圖４b)所示,該組織為淬火＋中溫回火后正常組織.
部分回火屈氏體保留板條馬氏體位向,測量板條束長度約２０μm,未見晶粒異常長大現象,表明實際熱處理工藝符合規范.
２ 分析與討論
現場勘查各試驗條件及拆解前橋連接各零部件,經檢驗均滿足技術文件或圖紙要求.從斷裂板簧理化檢驗結果可知,斷裂板簧材料的化學成分、硬度、脫碳層和顯微組織等均符合相關技術要求.觀察板簧斷口可知此斷裂為典型多源高應力疲勞斷裂,板簧表面存在因噴丸過噴引起的折疊缺陷,裂紋源位于折疊缺陷底部.從金屬疲勞過程分析,在交變載荷作用下金屬局部將發生多系和單系滑移,金屬表面不只形成滑移臺階,而且會形成駐留滑移帶缺陷,這種駐留滑移帶中各種晶體缺陷高度密集,使金屬晶體原子之間的結合鍵遭到極大破壞,從而萌生疲勞裂紋[４].裂紋源主要集中在金屬表面上,所以零件的表面狀態對疲勞極限的影響很大.板簧表面采用噴丸工藝,其目的是提高表面疲勞極限,一般情況下通過噴丸處理,板簧表面產生強化層,改變了表面內應力分布,使表面產生殘余壓應力,從而降低交變載荷下表面的拉應力,疲勞裂紋不易產生和擴展,能有效提高表面疲勞極限.但噴丸工藝控制不當,如噴丸過度,就可能使噴丸后板簧表面過度變形而產生折疊紋,反而降低疲勞極限.從斷裂板簧的掃描電鏡和金相檢驗結果可知,噴丸表面出現密集、呈網絡狀的折疊紋和凹坑,說明板簧表面噴丸過度.推理可知板簧斷裂過程:由于板簧噴丸表面存在大小不等、形態各異的折疊紋和凹坑,使該部位存在應力集中,在道路試驗過程中的反復應力作用下,折疊紋底部成為疲勞裂紋源,此處較易形成駐留滑移帶,并隨應力反復變化萌生微裂紋,然后逐漸擴展,形成較平坦的疲勞擴展區,隨著斷裂區的擴大,剩余截面不斷減小,當擴展至某一階段時,板簧在較大沖擊載荷下失穩,裂紋快速發展導致瞬間斷裂.
３ 結論及建議
汽車前橋橫置板簧斷裂的主要原因是,噴丸表面存在較多且密集的折疊紋,折疊紋底部應力集中,在滿載的惡劣路況條件下,折疊紋處成為疲勞裂紋源,在反復交變彎曲載荷作用下,裂紋不斷擴展,最終導致板簧發生疲勞斷裂.建議改善噴丸工藝,調整噴丸強度、噴丸時間等參數,避免產生過噴而出現折疊缺陷.