钢板弹簧的失效分析

来源:江铃汽车股份有限公司作者:熊春英

钢板弹簧未完成整车耐久规定行驶里程就发生断裂,为了分析断裂的原因,对断裂的钢板弹簧进行了断口宏观、微观检测,以及化学成分、金相组织、脱碳层、非金属夹杂物和硬度等分析。结果表明,钢板弹簧材料及工艺性能等满足要求,该零件失效是由于应力集中超过了其所能承受的最大载荷所导致的。

钢板弹簧是大中型卡车悬架最广泛选用的的弹性元件。本文分析的钢板弹簧材质为51CrV4,其热处理工艺为:淬火(880 ± 20 ℃,油冷) ,回火(540 ±10 ℃,空冷) ,钢板弹簧片表面进行喷丸及涂漆处理。该钢板弹簧按国标要求装车路试行程45000 km后不发生断裂为合格,但其搭载路试车进行耐久试验时,行驶16858 km 时发生了早期断裂失效。为了分析断裂原因,解决失效问题,我们对钢板弹簧的断口形貌、材料组织与性能、受力情况等进行了检测分析。

1、检测方法及结果

1. 1、断口宏观检测

钢板弹簧为变截面板簧,其断裂的位置离卷耳231 ~ 260 mm 处,见图1(a) ; 断口的宏观形貌见图1(b) 。整个断口表面较平坦,未见明显塑性变形。根据断面特征可将断口分为两个区,即1 区和2 区,见图2(a) 。

1 区位于上表面,呈灰白色,明显可见对称分布的疲劳弧线特征,初步可判断为裂纹源,占整个断面的极小一部分。2 区上表面可见到较多的剪切唇,整个区呈银灰色与红锈色,表面较粗糙,判断为裂纹扩展区和瞬时断裂区,约占整个断面绝大部分。在钢板弹簧断口附近的上表面处出现漆层脱落,存在多处小凹坑形貌的微裂纹,见图2(b) 。

 断裂失效的钢板弹簧

(a) 钢板弹簧断裂位置; (b) 钢板弹簧断口

图1 断裂失效的钢板弹簧

钢板弹簧断口形貌

(a) 断口宏观形貌; (b) 钢板弹簧上表面

图2 钢板弹簧断口形貌

2、讨论与分析

钢板弹簧的断裂都可以从断裂力学角度出发寻找原因,通过宏观断口及微观断口的检测,得出断口上存在明显的疲劳弧线与疲劳条带并起源于弹簧片上表面,瞬时断裂区形貌特征为沿晶加韧窝的混合特征,由此判断弹簧片的断裂性质属于疲劳断裂。影响疲劳裂纹的扩展的主要因素有:

1) 材料本身的特性;

2) 零件受到的外力。

从上述对弹簧片化学

成分、金相组织、表面脱碳、夹杂物和硬度的各项检测结果显示,钢板弹簧材料符合国家标准要求,说明外力是影响零件疲劳寿命的关键因素。当外力较大时,在钢板弹簧表面提前萌生微裂纹,并在此大应力作用下发生扩展。在载荷较大时,裂纹仅需扩展较小区域即能满足应力强度因子大于材料断裂韧度的条件,而导致断裂。此样件的疲劳区域非常小,仅占整个断口的面积的5%,属于受到较大的应力导致疲劳断裂的情况。

找到钢板弹簧失效原因后,我们通过降低钢板弹簧所受应力方案的认证,较好地解决了这个问题,从实践中也进一步证实了钢板弹簧的失效是由于行驶应力过大造成的。