汽車鋼板彈簧是汽車懸架應(yīng)用最為廣泛的一種彈性元件，具有可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、制作工藝流程短等優(yōu)點。汽車鋼板彈簧由若干片曲率半徑不同、長度不同、寬度相同的彈性鋼片疊加而成，在整體上近似等強度的彈性梁，具有減震和導(dǎo)向作用。某重型汽車鋼板彈簧在服役期間異常斷裂，導(dǎo)致車輛無法正常運行。來自陜西重型汽車有限公司的李琳琳、高帥和慕松三位研究人員對該斷裂鋼板彈簧進行一系列理化檢驗和分析，查明其斷裂原因并提出改進建議，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂鋼板彈簧的材料為50CrVA 鋼，主要加工工序為：下料→校直→鉆孔→淬火+中溫回火→噴丸→裝配→噴漆→預(yù)壓縮。斷裂彈簧鋼片的宏觀形貌如圖1所示，可見斷裂發(fā)生在彈簧鋼片長度方向約1/4處，斷裂位于鋼板彈簧拉應(yīng)力一側(cè)(裝配時向上)，彈簧鋼片表面可見明顯的擠壓、磨損痕跡，磨損處的彈簧鋼片厚度有所減薄，其余各部位有明顯的服役痕跡。
斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見斷口稍有不平，斷口上覆蓋有泥土和黃銹；清洗后可見斷口大致與彈簧縱向垂直，呈典型的疲勞斷裂特征，斷口上可見3處直徑為10~15mm的半圓形貝紋線，為疲勞源及疲勞擴展區(qū)，疲勞源位于彈簧拉應(yīng)力一側(cè)的表面、寬度方向的中部位置，疲勞源及疲勞擴展區(qū)所占斷口面積較小，約占整個斷口的20%；其余呈放射狀的區(qū)域為瞬斷區(qū)，所占斷口面積較大，疲勞源對側(cè)表面可見明顯的剪切唇，為最后斷裂區(qū)；斷口呈典型的多源低周高應(yīng)力疲勞斷裂特征。
1.2 化學成分分析
采用直讀光譜分析儀對斷裂彈簧進行化學成分分析，根據(jù)結(jié)果可見斷裂彈簧的化學成分符合GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
將斷口經(jīng)酒精超聲清洗后，用SEM 觀察，可見腐蝕產(chǎn)物堆疊，腐蝕凹坑大致呈半圓形，在腐蝕坑底部可見許多伴生的小腐蝕坑及多條裂紋(見圖3)。
對斷口表面的腐蝕凹坑及彈簧基體進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕凹坑處主要含有O，Al，Si，S，Ca，F(xiàn)e等元素，且腐蝕凹坑中的O，Si等元素含量明顯高于基體。
1.4 金相檢驗
斷裂彈簧鋼片縱向截面疲勞源側(cè)的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：疲勞源側(cè)表面部分有磨損現(xiàn)象，未磨損處原始表面可觀察到輕微的貧碳現(xiàn)象；表面可觀察到較多大致呈半圓形的腐蝕凹坑，凹坑底部較光滑，深度為0.05~0.15mm，凹坑附近組織無明顯的塑形變形痕跡，與基體組織無異；凹坑底部有裂紋，裂紋開口處較寬，尾部較尖銳，內(nèi)部有異物，擴展方向基本垂直于表面。斷裂彈簧基體的組織為稍粗大回火屈氏體(見圖5)。
2、綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知，斷裂彈簧的化學成分符合標準要求，經(jīng)過淬火+中溫回火后，彈簧組織為正常的稍粗大回火屈氏體，表明熱處理工藝正常。
從斷口的微觀形貌可知：在彈簧拉應(yīng)力表面有多處大小不一致且呈半圓形的凹坑，凹坑底部較光滑，凹坑附近組織無明顯的塑形變形痕跡，表明凹坑為表面腐蝕凹坑，在凹坑的底部可見多條垂直于表面的裂紋。
從斷口的宏觀形貌可知：在斷裂彈簧拉應(yīng)力表面可見3處直徑為10~15mm的半圓形貝紋線，該處為疲勞源及疲勞擴展區(qū)，疲勞源及疲勞擴展區(qū)所占斷口面積較小，約占整個斷面的20%，其他區(qū)域為瞬斷區(qū)，表明鋼板彈簧在服役過程中所受應(yīng)力較大，斷口的性質(zhì)為典型多源低周高應(yīng)力疲勞斷裂；彈簧鋼片表面有明顯的磨損、擠壓痕跡，磨損處鋼片厚度有所減薄，說明彈簧鋼片之間發(fā)生磨損，導(dǎo)致表面漆膜脫落，新鮮的金屬光澤暴露在腐蝕介質(zhì)中，又因為彈簧表面吸附了水或泥土，使彈簧表面形成了許多腐蝕凹坑。當腐蝕凹坑的拉應(yīng)力超過材料的疲勞強度，便會在凹坑的底部萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。
3、結(jié)論與建議
鋼板彈簧斷裂的原因為：彈簧受到泥沙和雨水的侵蝕和污染，彈簧鋼片之間存在嚴重的摩擦，使彈簧表面產(chǎn)生腐蝕凹坑，凹坑底部存在疲勞裂紋，隨后在大應(yīng)力作用下，彈簧發(fā)生斷裂。
建議鋼板彈簧在服役過程中進行定期維護，在彈簧鋼片之間加潤滑劑，在服役過程中盡量杜絕超載現(xiàn)象。同時采用富鋅漆作底漆，加噴面漆，以提高彈簧表面的耐腐蝕性能。
