52CrMnBA鋼板彈簧斷裂失效分析

顏 婧，馮繼軍，張鑫明，盧柳林，劉 勝，孫曉芬

(東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 工藝研究所，武漢 430056)

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52CrMnBA鋼板彈簧斷裂失效分析

顏 婧，馮繼軍，張鑫明，盧柳林，劉 勝，孫曉芬

(東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 工藝研究所，武漢 430056)

渣土車的鋼板彈簧(52CrMnBA)在工作過程中發(fā)生多片板簧片斷裂或開裂失效。采用宏觀裂紋分析、金相分析、掃描電鏡分析及能譜分析、硬度檢測、化學(xué)成分檢測等手段對失效板簧進行了分析。結(jié)果表明：板簧失效模式為起源于表層腐蝕坑處的疲勞斷裂。板簧在使用過程中表面防護層脫落，基體裸露在大氣環(huán)境下，表層產(chǎn)生許多腐蝕坑，導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋從腐蝕坑底部萌生，裂紋萌生后，板簧在大應(yīng)力作用下發(fā)生了疲勞斷裂。板簧的硬度偏低也導(dǎo)致了板簧的疲勞壽命降低。板簧表面腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，在腐蝕坑與基體交界處發(fā)生了Cr元素的富集。

52CrMnBA鋼板彈簧；腐蝕坑；應(yīng)力集中；疲勞斷裂

0 引言

汽車鋼板彈簧是汽車懸架中的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長不等曲率的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁[1]。在重載商用車中，鋼板彈簧有前簧和后簧之分。鋼板彈簧的中部通過U型螺栓(又稱騎馬螺栓)固定在車橋上，兩端的卷耳用銷子鉸接在車架的支架上。這樣，通過鋼板彈簧將車橋與車身連接起來，起到緩沖、減振、傳力的作用。因此，鋼板彈簧在工作過程中主要承受沖擊、彎曲、振動載荷，以及各片之間因相互接觸而產(chǎn)生的摩擦或碰撞。由于板簧片與片之間的摩擦，其板簧表面的油漆防護層很容易被蹭掉，對于工作環(huán)境較惡劣的渣土車來說，其基體裸露在大氣環(huán)境下或表面積聚大量泥漿，很容易發(fā)生腐蝕。在表面產(chǎn)生大大小小的點蝕坑。

根據(jù)鋼板彈簧的受力情況，其主要的失效模式有彎曲疲勞，接觸疲勞，腐蝕疲勞以及過載斷裂等。在正常受力狀況下，板簧上表面承受拉應(yīng)力，裂紋多起源于此表面的缺陷處或應(yīng)力集中處。例如熱處理或制造過程中出現(xiàn)的淬火裂紋、鍛造折疊、噴丸凹坑[2]，以及在使用過程中出現(xiàn)的點蝕坑等。

渣土車所用的52CrMnBA鋼板彈簧，在使用過程中發(fā)現(xiàn)多片板簧(包括前簧和后簧，共3件)開裂或斷裂，車輛總的行駛里程為5萬多km。本研究對失效的3件板簧進行了宏觀分析、裂紋金相分析、掃描電鏡及能譜分析、硬度檢測等，得出了板簧開裂或斷裂失效的原因，并推斷了板簧的失效機理。為防止板簧的類似失效提供了可靠的技術(shù)支持。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 裂紋及斷口宏觀分析

板簧的宏觀形貌如圖1所示，它們是從整體板簧上切取下來的樣塊，圖給出的均是板簧的上表面，即板簧受拉應(yīng)力一側(cè)表面；從圖中可以看出，板簧表面布滿眾多相互平行的橫向短裂紋，有的位置裂紋較密集，且有的裂紋相互連通后成為貫穿整個板簧寬度的長裂紋；板簧表面局部存在被磨損發(fā)亮的痕跡(圖1a～圖1c)。其中一件樣品除了表面裂紋外，還有已經(jīng)斷裂的斷口，銹蝕嚴(yán)重，裂紋起源于表面，起源處呈多源，有多處疲勞臺階(圖1d)。疲勞區(qū)放大如圖1e所示，疲勞區(qū)斷面較平整，但疲勞區(qū)面積較小，僅占整個斷口面積的20%左右，其他區(qū)域為快速斷裂區(qū)，斷面上有明顯的放射棱線。

1.2 裂紋金相分析

對3件板簧垂直于表面裂紋取樣，磨制試樣作裂紋金相分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在3件的板簧表面均存在眾多的橢圓形或盤碟形的腐蝕坑，這些腐蝕坑深淺不一，淺的深度約100 μm，深的則可達550 μm，凹坑內(nèi)壁并不平整，與基體接觸部位布滿眾多的蟲蝕樣的坑。腐蝕坑內(nèi)部則布滿灰色的腐蝕產(chǎn)物，呈層片狀(圖2a～圖2b)。除了表面腐蝕坑外，還可以看到裂紋從腐蝕坑底部萌生并擴展(圖2a)。

圖1 板簧宏觀形貌

垂直于板簧斷口源區(qū)取樣，磨制金相分析，如圖2c所示，在斷口的裂紋起源區(qū)，可見與圖2a～圖2b類似的充滿腐蝕產(chǎn)物的腐蝕坑，斷口裂紋則起源于腐蝕坑底部。

1.3 掃描電鏡分析

在電鏡下觀察板簧表面的腐蝕坑，其形貌如圖3所示，可見腐蝕產(chǎn)物由多層堆疊。在腐蝕坑底部，放大可見許多次生的小的腐蝕坑。說明腐蝕過程已繼續(xù)向板簧基體深處進行。

1.4 能譜分析

對板簧表面的腐蝕坑進行能譜分析。分別對腐蝕坑處D點和板簧基體E點進行能譜定量分析(圖5a)，結(jié)果見圖4、表1?？梢?，腐蝕坑處的成分主要是O、Fe、Cr、Si、Mn、Ca，板簧基體的成分主要是Fe、Cr、Mn、Si等元素；腐蝕坑中的O、Cr等元素的含量明顯高于基體，如表1所示。

圖2 板簧表面腐蝕坑及裂紋金相形貌

圖3 板簧表面腐蝕坑掃描電鏡下形貌

圖4 板簧腐蝕坑處D點及基體處E點能譜圖

表1 板簧腐蝕坑處D點和基體E點處能譜分析定量結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

對腐蝕坑附近區(qū)域進行能譜面掃描分析，所得結(jié)果如圖5所示。可以得出元素的分布趨勢，O元素主要分布在腐蝕坑處；Cr元素主要分布在在腐蝕坑與基體結(jié)合的界面處以及基體中，其中界面處含量比基體中高，腐蝕坑中部并無Cr元素分布； Fe元素主要分布在基體中，腐蝕產(chǎn)物中也有分布；Mn元素主要分布在基體中；Ca、Si元素主要集中在腐蝕坑中部位置，且比較集中。

1.5 金相檢驗

分別對3件板簧的斷面金相組織進行檢測，可見腐蝕坑附近及裂紋兩側(cè)并無脫碳痕跡(圖6a)，腐蝕坑并非在材料熱處理或加工過程中形成。3件板簧基體的金相組織類似，均為回火屈氏體組織(圖6)，但其中1件板簧的晶粒較粗大(圖6c)。

圖5 板簧腐蝕坑處能譜面掃描分析結(jié)果圖

圖6 板簧的金相組織形貌

1.6 硬度檢測

分別對3件板簧的橫截面進行硬度檢測，硬度為HRC 38.5～40.5，均低于技術(shù)條件所要求的HRC 40.5～47.0，可見3件板簧的硬度偏低。

1.7 化學(xué)成分分析

對3件板簧材料進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表2。其中1件板簧C含量偏高，而Cr含量則偏低。其他2件板簧的化學(xué)成分正常。

表2 板簧材料化學(xué)成分測試結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

2 分析與討論

由上述一系列檢測及分析可知，在板簧的表面，布滿大小不一，呈橢圓形或盤碟形的凹坑，這是表面腐蝕坑的典型形貌[3]。板簧表面的裂紋眾多，相互平行，而這些裂紋均起源于表面的腐蝕坑底部。

本次分析的幾塊板簧中，板簧表面的油漆層已完全脫落，顏色呈銹蝕的黃色，局部區(qū)域被磨損發(fā)亮。這說明在運行過程中，板簧片與片間的摩擦較大，板簧表面的磨損已比較嚴(yán)重，裸露出了板簧基體。磨損導(dǎo)致表面油漆層脫落后，由于渣土車的工作環(huán)境十分惡劣，板簧表面容易吸附水膜或泥漿，因此逐漸在板簧表面產(chǎn)生了眾多腐蝕坑。腐蝕坑產(chǎn)生后，其引起的力學(xué)效應(yīng)使應(yīng)力更加集中[4]。一旦腐蝕坑底部的拉應(yīng)力大小超過材料的疲勞強度，裂紋即在腐蝕坑底部萌生。因此，裂紋是在表面腐蝕坑和拉應(yīng)力的共同作用下萌生的，表面腐蝕坑的存在加快了裂紋萌生的速率。

而板簧表面的磨損是導(dǎo)致板簧被腐蝕出現(xiàn)腐蝕坑的前提，但并不是每個磨損面都會出現(xiàn)腐蝕坑，板簧表面向上一側(cè)比較容易積聚泥漿，在有水膜的環(huán)境下容易發(fā)生腐蝕，如果磨損區(qū)沒有這個環(huán)境，那么腐蝕則不會發(fā)生。

板簧表面看，裂紋普遍存在于整個表面，呈相互平行的細小裂紋，有的地方裂紋較密集，有的則較稀疏，這是因為其表面的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力大小不一樣導(dǎo)致的。應(yīng)力集中較大的地方，裂紋則較密集。裂紋的擴展速度也較快。

疲勞裂紋一旦萌生后，其擴展速率主要受應(yīng)力的控制。板簧斷口上疲勞區(qū)很小，僅占整個斷口面積的約20%，而其他80%的區(qū)域為快速斷裂區(qū)，其上有較明顯的放射紋，說明板簧斷裂時所受應(yīng)力較大。 而板簧所受的大應(yīng)力可能與其車輛的超載和工況較差相關(guān)。實際上，對于同類型的渣土車，從板簧表面腐蝕坑起源并發(fā)生斷裂的情況非常多。

除了受到較大應(yīng)力外，板簧的硬度偏低，也會降低板簧的疲勞壽命。

因此，為了預(yù)防板簧發(fā)生類似斷裂，車輛運行一定里程，應(yīng)該定期進行維護，在板簧片之間加上石墨潤滑劑，以防止板簧防護層脫落而被腐蝕出現(xiàn)腐蝕坑。還要提高板簧的硬度，提高板簧抗疲勞斷裂的能力。

推斷板簧表面的腐蝕機理如下：

當(dāng)渣土車板簧表面油漆層(或防護層)脫落后，板簧基體表面吸附的水膜或泥漿，其中溶有大氣中的O2，CO2等氣體，板簧基體中的Fe作為陽極發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成鐵銹，主要成分是含鐵的氧化物。

除了Fe發(fā)生陽極反應(yīng)外，對于Fe-Cr合金，在水膜呈弱酸性的環(huán)境下，Cr元素也將作為陽極發(fā)生氧化，生成Cr(OH)3或Cr2O3[5]。

在腐蝕過程中，Cr會優(yōu)先與OH-發(fā)生腐蝕反應(yīng)[5]，生成Cr(OH)3或Cr2O3，是一種鈍化膜，鈍化膜的形成將造成Cr元素在腐蝕產(chǎn)物膜中富集[6-7]。鈍化膜中的Cr(OH)3是一種穩(wěn)定的非晶態(tài)物質(zhì)[8]，它具有一定的陽離子選擇透過性[9]，可以有效地阻礙陰離子穿透腐蝕產(chǎn)物膜到達金屬表面，降低膜與金屬界面處的陰離子濃度，從而降低金屬基體的腐蝕速率[10]；但本研究中的板簧基體中僅含有1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右的Cr，在腐蝕過程中不足以形成足夠多的Cr(OH)3來阻止腐蝕的進一步發(fā)生。這是板簧表面腐蝕坑逐漸加深的原因。

因此，板簧表面腐蝕坑內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物主要是Fe、O等元素，為鐵的氧化物。在腐蝕坑與基體結(jié)合的界面處出現(xiàn)了Cr元素的富集，此處的Cr含量比基體高。

3 結(jié)論與建議

1)板簧出現(xiàn)開裂或斷裂是在以下幾個因素共同作用下發(fā)生的：第一，板簧表面形成了大大小小的腐蝕坑，腐蝕坑的出現(xiàn)加劇了板簧表面的應(yīng)力集中，加速了疲勞裂紋的萌生；第二，板簧所受應(yīng)力較大，疲勞裂紋萌生后，即快速發(fā)生了斷裂。所受的大應(yīng)力可能與其車輛的超載和工況較差相關(guān)；第三，板簧的硬度偏低，導(dǎo)致了板簧的疲勞壽命降低。

2)板簧表面出現(xiàn)腐蝕坑的原因是板簧表面防護層脫落，板簧基體吸附水膜或泥漿后，逐漸被腐蝕，生成了Fe的氧化物，且Cr元素在基體界面發(fā)生富集，但其不足以抵擋陰離子繼續(xù)腐蝕板簧基體，因此板簧表面的腐蝕坑越來越深，并且在大的腐蝕坑底部逐漸又形成了次生的小點蝕坑。

3)定期對板簧進行維護，在板簧片之間加上石墨潤滑劑，防止板簧在使用過程中發(fā)生干摩擦或碰撞導(dǎo)致防護層被破壞。

4)改善板簧的熱處理質(zhì)量，提高板簧基體硬度，增加板簧的抗疲勞斷裂的能力。

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Fracture Analysis of 52CrMnBA Leaf Springs

YAN Jing，F(xiàn)ENG Ji-jun，ZHANG Xin-ming，LU Liu-lin，LIU Sheng，Sun Xiao-fen

(MaterialandTechnologyResearchInstitute,TechnicalCenterofDongfengCommercialVehicleCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

Several leaf springs(52CrMnBA)of a slag car had fractured or cracked when they were operating. Macro-analysis, metallographic analysis, SEM and energy spectrum analysis, hardness measurement，chemical component detection were carried out to study the damaged leaf springs. The results showed that the failure mode of the leaf springs was fatigue fracture, the cracks originated from the etch pits of the surface. The protective layer on the surface of the leaf springs fell off when they were working, then the matrix of the leaf springs was bareness in air. That generated many etch pits on the surface layer, which resulted in stress concentration. So the cracks originated from the bottom of the etch pits. After the crack originated, the leaf springs occurred fatigue fracture under high stress. The lower hardness of the matrix also reduced the fatigue life. The corrosion products in the etch pits was mainly iron oxygen compound, and there were enrichment of Cr element in the junction of the etch pits and the matrix.

52CrMnBA leaf springs; etch pits; stress concentration; fatigue fracture

2016年5月4日

2016年7月13日

顏婧(1983年-)，女，碩士，工程師，主要從事汽車零部件的失效分析和理化檢驗等方面的研究。

U463

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.011

1673-6214(2016)04-0250-06