螺旋彈簧失效分析與改進(jìn)

陳成奎 邵亮 佟國(guó)棟 劉柯軍 張煒 李潤(rùn)哲

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

汽車螺旋彈簧主要作用是承擔(dān)垂直載荷和減輕震動(dòng)。它直接關(guān)系到汽車的平穩(wěn)性和人們乘車時(shí)的舒適性。為保證汽車的安全性和舒適性，螺旋彈簧在裝車前要進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

某螺旋彈簧在耐久試驗(yàn)進(jìn)行到約13 萬(wàn)次后斷裂(設(shè)計(jì)要求30 萬(wàn)次)，改進(jìn)螺旋彈簧材料后再次試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行到約18 萬(wàn)次斷裂，使用仍然不能滿足設(shè)計(jì)要求。于是通過(guò)對(duì)螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)特征、斷口進(jìn)行分析以及內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)確定其疲勞裂紋源位置，并分析導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的因素，針對(duì)這些因素進(jìn)行生產(chǎn)工藝改進(jìn)，使螺旋彈簧壽命滿足使用要求。

2 失效特征及斷口分析

耐久試驗(yàn)中的螺旋彈簧在第二圈處發(fā)生斷裂，斷裂處表面沒(méi)有明顯的缺陷（圖1）。

圖1 斷裂螺旋彈簧形貌

螺旋彈簧斷口平齊，斷口與螺旋彈簧縱向垂直。如圖2 所示，斷口可分為3 部分，裂紋源區(qū)（Ⅰ）、剪切疲勞擴(kuò)展區(qū)（Ⅱ）和扭轉(zhuǎn)剪切瞬斷區(qū)（Ⅲ）。其中裂紋源區(qū)（Ⅰ）位于螺旋彈簧內(nèi)側(cè)靠近表面處，所占面積最小。扭轉(zhuǎn)剪切瞬斷區(qū)在裂紋源區(qū)對(duì)側(cè)，是終斷區(qū)，所占面積最大，約占整個(gè)斷口的70%，這兩者之間是剪切疲勞擴(kuò)展區(qū)（Ⅱ）。

圖2 螺旋彈簧斷口形貌

在SteREO Discoverry.V20 體式低倍顯微鏡下觀察Ⅰ區(qū)斷口，發(fā)現(xiàn)剪切疲勞起源處有一處微小的平坦區(qū)域，該平坦區(qū)域與剪切斷口平面呈45°左右，其形狀呈火炬形，下部靠近表面，上部與剪切疲勞擴(kuò)展區(qū)相接（圖3～圖4）。

圖3 螺旋彈簧斷口Ⅰ區(qū)形貌

圖4 區(qū)中火炬形平坦區(qū)域形貌

進(jìn)一步在ZEISS Merlin Compact 掃描電子顯微鏡下觀察螺旋彈簧剪切疲勞源區(qū)的形貌見(jiàn)圖5，由圖5 可知剪切疲勞起源處的火炬形平坦區(qū)域起源于表面，圖6 所示為該表面處的斷口形貌，斷口為沿晶斷口，晶粒較粗大，直徑約60 μm,在電鏡下測(cè)量該表面處沿晶斷口區(qū)域的厚度約120 μm。

圖5 中火炬形平坦區(qū)域電鏡下形貌

圖6 火炬形平坦區(qū)域起源處表面形貌

3 理化檢驗(yàn)

3.1 元素含量檢驗(yàn)

失效螺旋彈簧的元素含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》＜第01 號(hào)修改單>其檢驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求。

表1 螺旋彈簧元素含量檢驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.2 硬度檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，取失效螺旋彈簧不同部位的硬度檢驗(yàn)結(jié)果為559 HV30、557 HV30、560 HV30，螺旋彈簧的技術(shù)要求為575～615 HV30，硬度符合技術(shù)要求。

3.3 金相組織檢驗(yàn)

螺旋彈簧的基體組織為回火屈氏體（圖7），螺旋彈簧表面存在脫碳（圖8），其中總脫碳層深度為181 μm，全脫碳層深度為113 μm，根據(jù)JB/T 10416—2004《懸架用螺旋彈簧技術(shù)條件》規(guī)定，經(jīng)過(guò)淬火+回火處理的彈簧，單邊脫碳層深度不超過(guò)材料直徑的1%，本文中失效的螺旋彈簧直徑為Φ20 mm，單邊總脫碳層深度不應(yīng)超過(guò)0.2 mm。因此脫碳層深度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 螺旋彈簧金相組織形貌

圖8 后螺旋彈簧表面脫碳層形貌

3.4 剪切疲勞起源處表面微觀組織檢驗(yàn)

在螺旋彈簧剪切疲勞源區(qū)處沿彈簧縱向垂直于表面取樣，在Axio observer.A1m 金相顯微鏡下檢查剪切疲勞源區(qū)表面層的微觀組織形貌（圖9、圖10），該表面處為較粗大的鐵素體層，且在鐵素體表面層上有許多凹坑和微折疊，在鐵素體層內(nèi)有多處微裂紋，這些微裂紋起源于表面的凹坑和微折疊處，并向基體內(nèi)擴(kuò)展，部分微裂紋貫徹整個(gè)鐵素體層。

圖9 剪切疲勞源區(qū)表面處的微觀組織形貌

圖10 剪切疲勞源區(qū)表面處的微觀組織形貌

4 分析與討論

a.剪切疲勞起源處的火炬形平坦區(qū)域與剪切斷口平面約呈45°，表明該火炬形平坦區(qū)域不是剪應(yīng)力疲勞開(kāi)裂區(qū)，而是正應(yīng)力疲勞開(kāi)裂區(qū)。而火炬形平坦區(qū)域起源于表面處，這說(shuō)明螺旋彈簧真正的疲勞源區(qū)位于表面。根據(jù)圖5 火炬形平坦區(qū)域起源于表面沿晶區(qū)域?qū)?，其厚度約120 μm，這與螺旋彈簧表面全脫碳層深度113 μm 接近，這說(shuō)明該表面沿晶區(qū)域?qū)泳褪侨撎紝樱瑥谋砻骈_(kāi)始的剪切疲勞裂紋擴(kuò)展到全脫碳層與基體過(guò)渡區(qū)（半脫碳層）時(shí)轉(zhuǎn)為正應(yīng)力疲勞開(kāi)裂，當(dāng)正應(yīng)力疲勞開(kāi)裂到一定區(qū)域時(shí)又轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袘?yīng)力疲勞繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剪切瞬間斷裂。

b.疲勞斷裂一般包括裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和過(guò)載斷裂3 個(gè)階段，因此疲勞壽命長(zhǎng)短取決于裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展。其中疲勞裂紋萌生的機(jī)理普遍認(rèn)為是“侵入-擠出機(jī)制”，在交變應(yīng)力作用下，金屬的局部區(qū)域分別發(fā)生多系滑移和單系滑移，并在表面形成原子尺寸的微觀“裂紋”[1-3]。試驗(yàn)證明在循環(huán)應(yīng)力下金屬表面上發(fā)生的塑性變形的局部區(qū)域不只是簡(jiǎn)單地形成滑移臺(tái)階，而是形成一種稱作駐留滑移帶的缺陷。使金屬晶體原子之間的結(jié)合鍵遭到極大的破壞，從而產(chǎn)生疲勞裂紋源。本試驗(yàn)中由于螺旋彈簧表面全脫碳層鐵素體硬度較低，后序的噴丸過(guò)程中在表面處形成較深的丸坑和微折疊，這些丸坑和微折疊處存在應(yīng)力集中使裂紋的萌生階段大大縮短，甚至直接進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。

c.裂紋萌生以后，當(dāng)裂紋尖端塑性變形區(qū)在幾個(gè)晶粒直徑內(nèi)時(shí)，裂紋沿著剪切應(yīng)力平面擴(kuò)展，直到遇到障礙物，如晶界、夾雜物或珠光體區(qū)[4]。由于螺旋彈簧表面有全脫碳層，且全脫碳層鐵素體組織粗大，因此適合微裂紋擴(kuò)展。本案例中從表面開(kāi)始的剪切裂紋擴(kuò)展到脫碳層與基體過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)為正應(yīng)力疲勞開(kāi)裂，這個(gè)現(xiàn)象也證明了鐵素體利于剪切裂紋擴(kuò)展，屈氏體阻礙剪切裂紋擴(kuò)展。

d.綜上所述，雖然螺旋彈簧表面脫碳層深度符合JB/T 10416—2004《懸架用螺旋彈簧技術(shù)條件》要求，但是表面較粗大的鐵素體全脫碳層以及噴丸后在其上產(chǎn)生的丸坑和微折疊，對(duì)需要在高應(yīng)力下工作的螺旋彈簧來(lái)說(shuō)危害極大。是導(dǎo)致螺旋彈簧早期疲勞斷裂的主要原因。所以解決螺旋彈簧斷裂的主要措施是消除表面全脫碳層。

5 改進(jìn)效果

通過(guò)改進(jìn)螺旋彈簧熱處理工藝，將加熱保溫+淬火+回火改為高頻淬火+回火，解決了表面脫碳問(wèn)題。圖11 所示為改進(jìn)熱處理工藝后的螺旋彈簧表面微觀組織形貌，表面無(wú)脫碳。

圖11 改進(jìn)熱處理工藝后的螺旋彈簧表面微觀組織形貌

對(duì)改進(jìn)后的螺旋彈簧進(jìn)行耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)超過(guò)80 萬(wàn)次未斷裂。表2 是熱處理改進(jìn)前后兩次螺旋彈簧耐久試驗(yàn)結(jié)果。

表2 熱處理改進(jìn)前后兩次螺旋彈簧耐久試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

a.從本次試驗(yàn)結(jié)果看，螺旋彈簧表面有粗大的全脫碳鐵素體層，由于鐵素體硬度低，在后序噴丸過(guò)程中，導(dǎo)致鐵素體變形產(chǎn)生丸坑并在晶界處產(chǎn)生微折疊，是導(dǎo)致螺旋彈簧早期疲勞斷裂的主要原因。

b.螺旋彈簧表面的全脫碳鐵素體層以及其上的丸坑和微折疊對(duì)疲勞壽命的影響，主要表現(xiàn)為在丸坑和微折疊處產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)微折疊本身即是裂紋，使疲勞裂紋萌生階段大大縮短，甚至直接進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。

c.對(duì)那些需要在高應(yīng)力下工作的螺旋彈簧，有必要對(duì)彈簧表面全脫碳層厚度及晶粒度進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定。