板簧座斷裂分析（板簧的斷裂失效現象分析）

2023-07-29 01:18:04 2

汽車板簧是汽車懸架系統中最傳統的彈性元件，由於其可靠性好、結構簡單、製造工藝流程短、成本低而且結構能大大簡化等優點，從而得到廣泛的應用。汽車板簧一般是由若干片不等長的合金彈簧鋼組合而成一組近似於等強度彈簧梁。在懸架系統中除了起緩衝作用而外，當它在汽車縱向安置，並且一端與車架作固定鉸鏈連接時，即可擔負起傳遞所有各向的力和力矩，以及決定車輪運動的軌跡，起導向的作用，因此就沒有必要設置其它的導向機構，另外汽車板簧是多片疊加而成，當載荷作用下變形時，各片有相對的滑動而產生摩擦，產生一定的阻力，促使車身的振動衰減，但是板簧單位重量儲存的能量最低，因些材料的利用率最差。

一、材質是什麼？65Mn/低碳鋼哪一類合適？

材質一般為矽錳鋼。因為碳素彈簧鋼因淬透性低，較少使用於汽車中；錳鋼淬透性好，但易產生淬火裂紋，並有回火脆性。因此，矽錳鋼在我國應用在汽車的板簧上較為廣泛。65Mn鋼更為合適，因為：低碳鋼為碳含量低於0.25%的碳素鋼，因其強度低、硬度低而軟，又稱軟鋼。它包括大部分普通碳素結構鋼和一部分優質碳素結構鋼，大多不經熱處理用於工程結構件，有的經滲碳和其他熱處理用於要求耐磨的機械零件。低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此可以看出，低碳鋼不符合板簧材料高強度和高硬度的要求。

二、所選材質的合金化原理和性能特點

65Mn鋼化學成分見表2.1，一般其抗拉強度≥980（100）；屈服強度≥784（80）；伸長率δ10（%）≥8；斷面收縮率ψ（%）≥30；硬度：熱軋≤302HB，冷拉 熱處理≤321HB。板簧鋼應具有優良的綜合性能，如力學性能（特別是彈性極限、強度極限、屈強比）、抗彈減性能（即抗彈性減退性能，又稱抗鬆弛性能）、疲勞性能、淬透性、物理化學性能（耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等）。因此所選材質應具有較高的強度以及適當的韌性，並且具有較高的彈性極限、較好的彈性減退抗力以及較高的屈強比，為了防止板簧在交變應力下發生疲勞和斷裂，彈簧應具有較高的疲勞強度和耐蝕等性能，通常為σ0.2≥1160MPa，≥1280MPa，δ10≥5%，ψ≥25%。

汽車板簧在工作中反覆承受交變彎曲應力，故對板簧的表面質量要求很高，不允許其表面有缺口、裂紋、摺疊和斑疤等，表面即使存在微小缺陷和損傷，也會由此產生應力集中，形成疲勞源，導致板簧早期疲勞斷裂口。有研究指出，斷裂板簧的裂源正好萌生於小坑處，並且小坑處組織為針狀馬氏體，且有淬火裂紋存在。故板簧表面的小坑及裂紋是引起板簧早期疲勞斷裂的根源。為了滿足上述性能要求，板簧鋼應具有優良的冶金質量（高的純潔度和均勻性）、良好的表面質量（嚴格控制表面缺陷和脫碳）、精確的外形和尺寸。

板簧的主要製造工藝過程為：下料一鑽孔一軋制切頭一校正一第一片卷耳一端磨一淬火一回火一噴丸一探傷一油漆一測試。即使是同樣的材料，其熱處理是否合理，導致的壽命相差也很大。因而通常材料在淬火得到馬氏體後，進行回火處理，可得到碳化物尚未發生明顯的聚集長大，保持彌散的分布狀態的回火組織。淬火所造成的第二類內應力也幾乎全部消除，但並未發生再結晶，仍保留馬氏體針狀結構和強化效果，故而有較高的彈性極限。碳化物尚未發生明顯的聚集長大，保持彌散的分布狀態，馬氏體制發生回復過程，由淬火所造成的第二類內應力幾乎全部消除，但未發生再結晶，仍保留馬氏體針狀結構和強化效果，故而有較高的彈性極限，硬度54.1HRC。

回火硬度隨回火溫度升高而發生變化的規律，在180-280℃範圍內回火時，其硬度隨回火溫度升高而變化不大。在300℃回火時，硬度略有升高，為57-58HRC。65Mn在870℃冷淬火後經不同溫度回火後的硬度值與衝擊韌度的關係。衝擊韌度有兩個峰值，其中一個峰值約為400J/cm2，對應的硬度為50-52HRC，這個硬度對冷作模具而言，顯然是偏低的。另一峰值韌度約為380J/cm2，其對應的硬度值為57-58HRC。對於膜片彈簧成形壓淬模而言，硬度為50-55HRC較為合宜，硬度為55HRC時，衝擊值為谷點（實際回火脆性為350℃左右），應避開。回火最後得到的組織為回火屈氏體。噴丸的目的是為了提高彈簧的強度和疲勞壽命，要對熱處理後的板簧進行噴丸處理。經噴丸處理的疲勞壽命一般可達未噴丸的5~10倍。

三、服役環境的要素

彈簧在衝擊、振動或長期交應力下使用，所以要求板簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求板簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等。考慮板簧可能的服役環境為：汽車板簧需承受來自汽車車廂以及載物的重量，各彈簧片受力變形，產生彎曲變形；汽車在行駛過程中，當路面不平時，汽車發生較大幅度和頻繁的顛簸，則汽車板簧需承受衝擊載荷，並因此造成單向循環彎曲應力；當汽車行駛速度過高時，也會加大汽車板簧的變形幅度，導致板簧加速疲勞而損壞；緊急剎車會瞬間加大汽車板簧的受力，長期頻繁的緊急剎車會對汽車板簧造成嚴重的損壞；汽車在轉彎時，若轉彎速度較大，則會產生過大的離心力，加大外側板簧的負荷；汽車行駛的環境如果較為惡劣，零部件容易發生腐蝕。

四、有可能發生的斷裂模式

汽車鋼板彈簧在汽車行駛過程中承受各種應力的作用。其中以反覆彎曲應力為主，絕大多數是疲勞破壞。板簧可能發生的失效：過載斷裂：當汽車超載時，載荷的重量超過板簧的承載能力，此時板簧往往發生永久性塑性變形，當工作載荷超過其所能承受的極限載荷時，將發生過載斷裂。脆性斷裂：汽車長時間在北方寒冷空氣下行駛時，可能因為低溫發生脆性斷裂。疲勞斷裂：由於汽車板簧長期在交變載荷下工作，則容易發生疲勞斷裂。當長時間在惡劣的環境下行駛時，可能因金屬發生腐蝕而出現腐蝕疲勞斷裂。

五、實驗確定失效的類型及其機理

可通過對汽車板簧的化學成分分析，對斷口處的顯微組織分析等試驗方法，分析疲勞斷裂件中疲勞裂紋的萌生，疲勞裂紋的擴展，以及最後斷裂。失效的汽車板簧用65Mn彈簧鋼製備而成，在失效板簧本體上取樣做化學成分分析，觀察測試結果是否符合國家規定的65Mn彈簧鋼標準。觀察板簧的斷口形貌，尋找疲勞源區，疲勞裂紋擴展區，以及瞬時斷裂區。板簧葉片表面（主要是受拉麵）如有裂痕，缺口，凹坑等，會使葉片在受負荷時產生應力集中，引起早期疲勞破壞，所以板簧的疲勞斷裂源往往在板簧的表面處。

在疲勞斷口處如能觀察到清晰可見的貝紋線，則此處為疲勞裂紋的擴展區，外觀較為光滑，主要特徵是圍繞疲勞源存在一系列平行的同心弧線，即為疲勞線。而瞬間斷裂區的外觀較為粗糙，與靜載斷口形貌相似。一般疲勞斷裂的過程為：局部塑性變形—疲勞裂紋的形成—疲勞裂紋的擴展—瞬間斷裂。疲勞裂紋的萌生和擴展過程是疲勞破壞的起始和重要的損傷階段。金屬所受的交變應力的最大值低於材料的屈服強度，在較低的應力下，材料的變形是局部的，非均勻的，變形嚴重的地方抗腐蝕能力低，顏色發暗。微裂紋多在表面形成，主要原因為：一是因為板簧所受到的載荷使其發生彎曲變形，彎曲疲勞時表面變形最大；二是由於表面脫碳強度降低所導致。65Mn彈簧鋼保溫時間較長時，很容易造成表面脫碳，位錯與碳化物或夾雜物相互作用，使相界開裂，與基體剝離，形成微孔，微孔合併後形成裂紋源。

用掃描電子顯微鏡對斷口作進一步觀察，並對對失效件在斷口裂源處縱向取樣作顯微分析，一般疲勞裂紋的擴展途徑不是唯一的，可以沿晶擴展，也可以穿晶擴展。在交變應力的作用下，由於位錯沿著滑移面往復運動而造成圍觀裂紋的萌生和擴展。斷口是不均勻的，有許多相互連接而與主裂紋相交的小裂紋，在主裂紋的側面還有與主裂紋近似平行的小裂紋。在交變應力的作用下變形是不均勻的，也不是同時的，有先有後，在形成的裂紋擴展的同時又有新的裂紋萌生及擴展，先擴展的裂紋為主裂紋，周圍新萌生的微裂紋可稱為次生裂紋。對失效樣件進行硬度測試，測試樣件是否符合技術要求，一般失效件裂源區硬度偏高。

由實驗的分析，可以推斷提高汽車板簧的疲勞壽命的建議，一般考慮到選擇優良的原材料，材料中的夾雜物以及雜質越少越好，加熱時應在保護氣氛或在真空進行，避免表面脫碳，進行表面研磨，提高表面光潔度，進行表面強化硬化處理。