鋼板彈簧斷裂問題研究
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摘 要：鋼板彈簧是汽車懸架系統的關鍵構件，其將車輪的力和轉矩傳遞給車架，對車架起導向、緩沖、減震、支撐等作用，受成形工藝、安裝條件、使用環境等因素影響，在長期服役過程中，鋼板彈簧在外界循環載荷作用下存在斷裂失效的風險。文中汽車鋼板彈簧斷裂失效為批次失效，失效率約5%，通過化學成分、顯微硬度、斷口形貌、金相組織等的分析測試，分別對失效鋼板彈簧材質、性能、斷裂形式等進行研究。在此基礎上判斷其失效行為，進而提出改進措施。
關鍵詞：鋼板彈簧;斷裂問題;措施
1 試驗
1.1 試件
試驗件為路試過程失效的汽車鋼板彈簧，材料為60Si2Mn，熱處理工藝為淬火+中溫回火。
1.2 試驗過程
采用HCS-140型高頻紅外碳硫分析儀，參照GB/T20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應爐燃燒后紅外吸收法（常規方法）》分析試件材料C，S元素含量，采用ARCOS型電感耦合等離子體發射光譜分析儀，參照GB/T20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法》分析試件材料Si，Mn，P元素含量;采用HB-3000B型布氏硬度計，參照GB/T231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》檢測試件表層及心部硬度;采用OLYMPUS-BX60M型光學金相顯微鏡觀察試件金相組織，并參照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物評級;采用帶INCAOXFORD能譜儀的QUANTA200型環境掃描電鏡分析試件斷口形貌及腐蝕產物成分。
2 試驗結果
2.1 斷口宏觀形貌
斷口平齊，無明顯塑性變形，裂紋在棱邊表面萌生，斷面有明顯的扇形疲勞擴展區域，斷口及其附近區域表面存在明顯銹蝕。
2.2 化學成分
試件材料化學成分符合60Si2Mn材料的技術要求。
2.3 非金屬夾雜物
試件材料非金屬夾雜物符合60Si2Mn材料的技術要求。
2.4 布氏硬度
試件表層硬度明顯低于心部硬度，且表層硬度已低于技術要求。
2.5 斷口微觀形貌
裂紋源處表層存在腐蝕坑，腐蝕坑附近區域斷口被腐蝕產物覆蓋，已無明顯斷口形貌特征。裂紋自腐蝕坑底部萌生并擴展，裂紋擴展區域呈扇形。裂紋擴展區呈現準解理斷裂特征，疲勞貝殼紋線較細密，局部存在二次微裂紋，裂紋擴展區約占整個斷口面積的70%。瞬斷區有明顯的韌窩及撕裂嶺，呈現韌性斷裂特征。
2.6 金相組織
組織為回火屈氏體+少量鐵素體，為正常淬火后中溫回火組織。
表層凹凸不平，存在較多腐蝕坑，部分腐蝕坑底部可見腐蝕裂紋垂直表面向心部擴展，腐蝕裂紋外寬內窄，呈喇叭狀，腐蝕坑及腐蝕裂紋內部充滿腐蝕產物。試件表面有脫碳現象，腐蝕較輕的區域脫碳層深度約為0.15mm，脫碳區域以部分脫碳組織為主，最表層可看到長大的塊狀鐵素體，出現全脫碳組織形態。
2.7 能譜
可以看出，腐蝕裂紋內部腐蝕產物成分主要為O，Si，Fe，無S，Cl等活性腐蝕離子。
3 分析與討論
試件化學成分、非金屬夾雜物等級符合技術要求，心部硬度滿足技術要求，心部金相組織無異常。試件表層硬度較心部下降明顯，且已低于技術要求，結合金相組織分析可知，表層有明顯脫碳，脫碳層深度約為0.15mm，脫碳層中可看到長大的塊狀鐵素體，出現完全脫碳組織形態。
出現明顯的完全脫碳層要求碳在鐵素體具有一定的溶解度。由60Si2Mn鋼鐵碳相圖鐵素體中碳的飽和曲線可知，當加熱溫度小于950K時，碳在鐵素體中的溶解度小于0.01%，此時已很難滿足脫碳條件，也不發生鐵素體脫碳，即不發生完全脫碳。在單相奧氏體區，無論加熱爐氣氛中的碳勢高低，也不存在完全脫碳。因此，可推斷此試件或材料在此溫度上下限區間范圍內有較長的保溫過程。
通過表層金相檢測可以清晰看出，表層有腐蝕裂紋萌生于腐蝕坑底部，并垂直表面向心部擴展。推斷認為脫碳使得表面疲勞強度及耐蝕性能降低，進而在裂紋源及附近表面產生較多腐蝕坑及垂直表面的腐蝕裂紋，在外力作用下表面腐蝕缺陷處成為早期疲勞源。斷口形貌也對上述結論提供了佐證，裂紋起始于表面腐蝕坑處，裂紋擴展區斷口為準解理斷裂形貌，為典型疲勞斷裂特征。此外，裂紋擴展區疲勞貝殼紋分布均勻細小且面積占斷口的70%左右，說明樣品承受的外力平穩，名義應力并不大，非過大應力造成的瞬時或短時破壞。能譜分析結果顯示，腐蝕產物主要成分為O，Si，Fe元素，而無S，Cl等活性腐蝕離子?？梢酝茢嘣嚰褂铆h境均處于正常狀態，并不存在鹽霧、酸雨等極端腐蝕環境加速失效的狀況。
4 結論
非金屬夾雜物按照化學成分分為氧化物系夾雜物、硫化物系夾雜物和氮化物系夾雜物。硫化物的危害有：一降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能;二降低了鋼的耐腐蝕性。氧化物和硅酸鹽的危害有：一方面使鋼的橫向力學性能惡化;另一方面使鋼的切削加工性能下降，從而降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能。氮化物會使鋼的脆性明顯增加。
非金屬夾雜物的存在，使鋼在加工變形時其金屬基本的連續性被破壞，鋼的力學性能、物理性能、化學性能以及工藝性能就會降低。非金屬夾雜物導致應力集中，引起斷裂;數量多且分布不均勻的夾雜物會明顯降低鋼的塑性、韌性、焊接性能以及耐腐蝕性等。
由于脫碳使得表面疲勞強度及耐蝕性降低，經過長時間腐蝕及應力作用，在表面產生腐蝕坑及腐蝕裂紋。循環外力作用下，腐蝕缺陷處產生嚴重的應力集中現象，早期裂紋進一步擴展，進而最終導致腐蝕疲勞斷裂。該批次鋼板彈簧失效率較高，達到約5%，應為工藝原因造成。通過適當調整加熱溫度，避開脫碳峰值發生的溫度區間，并在加熱爐中通入保護氣氛，同時增加加工余量，在熱處理后將表面脫碳層加工掉，并對表面進行噴丸強化等一系列措施，表面耐蝕性及抗疲勞性能大幅提高，可有效避免脫碳引起的腐蝕疲勞斷裂。
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