钢板弹簧断裂失效行为研究

付扬帆，王长朋，陈大军，梅华生，李忠盛，张静元

（西南技术工程研究所，重庆 400039）

钢板弹簧是汽车悬架系统的关键构件，其将车轮的力和转矩传递给车架，对车架起导向、缓冲、减震、支撑等作用，受成形工艺、安装条件、使用环境等因素影响，在长期服役过程中，钢板弹簧在外界循环载荷作用下存在断裂失效的风险[1-6]。文中汽车钢板弹簧断裂失效为批次失效，失效率约 5%，通过化学成分、显微硬度、断口形貌、金相组织等的分析测试，分别对失效钢板弹簧材质、性能、断裂形式等进行研究。在此基础上判断其失效行为，进而提出改进措施。

1 试验

1.1 试件

试验件为路试过程失效的汽车钢板弹簧，材料为60Si2Mn，热处理工艺为淬火+中温回火。

1.2 试验过程

采用 HCS-140型高频红外碳硫分析仪，参照GB/T 20123—2006《钢铁总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）》分析试件材料C，S元素含量，采用 ARCOS型电感耦合等离子体发射光谱分析仪，参照 GB/T 20125—2006《低合金钢多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》分析试件材料 Si，Mn，P元素含量；采用HB-3000B型布氏硬度计，参照GB/T 231.1—2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》检测试件表层及心部硬度；采用OLYMPUS-BX60M型光学金相显微镜观察试件金相组织，并参照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物评级；采用带 INCA OXFORD能谱仪的QUANTA 200型环境扫描电镜分析试件断口形貌及腐蚀产物成分。

2 试验结果

2.1 断口宏观形貌

图1为试件断裂位置及断口宏观形貌。由图1可见，断口平齐，无明显塑性变形，裂纹在棱边表面萌生，断面有明显的扇形疲劳扩展区域，断口及其附近区域表面存在明显锈蚀。

图1 试件断裂位置及断口宏观形貌

2.2 化学成分

表1为试件材料化学成分分析结果，可以看出，试件材料化学成分符合60Si2Mn材料的技术要求。

表1 化学成分分析结果 %

2.3 非金属夹杂物

表2为试件材料非金属夹杂物评定结果。由表2可见，试件材料非金属夹杂物符合 60Si2Mn材料的技术要求。

表2 非金属夹杂物评定结果

2.4 布氏硬度

表3为试件表层及心部硬度测试结果，可见，试件表层硬度明显低于心部硬度，且表层硬度已低于技术要求。

表3 布氏硬度测试结果

2.5 断口微观形貌

图2为试件的断口微观形貌，由图2a，b可见，裂纹源处表层存在腐蚀坑，腐蚀坑附近区域断口被腐蚀产物覆盖，已无明显断口形貌特征。裂纹自腐蚀坑底部萌生并扩展，裂纹扩展区域呈扇形。由图2c，d可见，裂纹扩展区呈现准解理断裂特征，疲劳贝壳纹线较细密，局部存在二次微裂纹，裂纹扩展区约占整个断口面积的70%。由图2e，f可见，瞬断区有明显的韧窝及撕裂岭，呈现韧性断裂特征[7]。

2.6 金相组织

图3为试件心部的金相组织。由图3可见，组织为回火屈氏体+少量铁素体，为正常淬火后中温回火组织。

图4为试件表层的金相组织，可以看出，表层凹凸不平，存在较多腐蚀坑，部分腐蚀坑底部可见腐蚀裂纹垂直表面向心部扩展，腐蚀裂纹外宽内窄，呈喇叭状，腐蚀坑及腐蚀裂纹内部充满腐蚀产物。试件表面有脱碳现象，腐蚀较轻的区域脱碳层深度约为0.15 mm，脱碳区域以部分脱碳组织为主，最表层可看到长大的块状铁素体，出现全脱碳组织形态。

图2 断口微观形貌

图3 心部金相组织

2.7 能谱

图 5为腐蚀裂纹内部腐蚀产物能谱分析的取样位置，表4为能谱分析结果。可以看出，腐蚀裂纹内部腐蚀产物成分主要为O，Si，Fe，无S，Cl等活性腐蚀离子。

表4 能谱分析结果 %

图4 表层金相组织

图5 能谱分析取样位置

3 分析与讨论

试件化学成分、非金属夹杂物等级符合技术要求，心部硬度满足技术要求，心部金相组织无异常。试件表层硬度较心部下降明显，且已低于技术要求，结合金相组织分析可知，表层有明显脱碳，脱碳层深度约为0.15 mm，脱碳层中可看到长大的块状铁素体，出现完全脱碳组织形态。式（1）为完全脱碳层深度计算模型[8]：

式中：X为完全脱碳层深度；Cb为碳在铁素体的溶解度；C1为碳的原始浓度；D为碳在铁素体中的扩散系数；t为时间。

根据式（1）可知，出现明显的完全脱碳层要求碳在铁素体具有一定的溶解度。由 60Si2Mn钢铁碳相图（如图6所示）铁素体中碳的饱和曲线可知[8]，当加热温度小于950 K时，碳在铁素体中的溶解度小于0.01%，此时已很难满足脱碳条件，也不发生铁素体脱碳，即不发生完全脱碳。在单相奥氏体区，无论加热炉气氛中的碳势高低，也不存在完全脱碳[9]。因此，可推断此试件或材料在此温度上下限区间范围内有较长的保温过程[10]。

图6 60Si2Mn钢的铁碳相图（局部）

通过表层金相检测可以清晰看出，表层有腐蚀裂纹萌生于腐蚀坑底部，并垂直表面向心部扩展。推断认为脱碳使得表面疲劳强度及耐蚀性能降低，进而在裂纹源及附近表面产生较多腐蚀坑及垂直表面的腐蚀裂纹，在外力作用下表面腐蚀缺陷处成为早期疲劳源。断口形貌也对上述结论提供了佐证，裂纹起始于表面腐蚀坑处，裂纹扩展区断口为准解理断裂形貌，为典型疲劳断裂特征。此外，裂纹扩展区疲劳贝壳纹分布均匀细小且面积占断口的70%左右，说明样品承受的外力平稳，名义应力并不大，非过大应力造成的瞬时或短时破坏。能谱分析结果显示，腐蚀产物主要成分为O，Si，Fe元素，而无S，Cl等活性腐蚀离子。可以推断试件使用环境均处于正常状态，并不存在盐雾、酸雨等极端腐蚀环境加速失效的状况。

4 结论

由于脱碳使得表面疲劳强度及耐蚀性降低，经过长时间腐蚀及应力作用，在表面产生腐蚀坑及腐蚀裂纹。循环外力作用下，腐蚀缺陷处产生严重的应力集中现象，早期裂纹进一步扩展，进而最终导致腐蚀疲劳断裂。

该批次钢板弹簧失效率较高，达到约 5%，应为工艺原因造成。通过适当调整加热温度，避开脱碳峰值发生的温度区间，并在加热炉中通入保护气氛，同时增加加工余量，在热处理后将表面脱碳层加工掉，并对表面进行喷丸强化等一系列措施，表面耐蚀性及抗疲劳性能大幅提高，可有效避免脱碳引起的腐蚀疲劳断裂。

参考文献：

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[5] 张宁. 汽车钢板弹簧设计[D]. 长春∶ 吉林大学, 2007.

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[10] 陈银莉, 左茂方, 罗兆良, 等. 60Si2Mn弹簧钢表面脱碳理论及试验研究[J]. 材料热处理学报, 2015, 36(1)∶192-197.