汽车钢板弹簧断裂分析方法

汽车钢板弹簧断裂分析方法 李 涛 （江西五十铃汽车有限公司） 

摘要：汽车钢板弹簧在路试或使用中会偶发断裂现象，分析断裂原因的方法应从断裂宏观、微观入手，对断裂件进行化学成分、低倍组织、夹杂物、硬度、金相、脱碳层及喷丸检验，从而找出断裂的根本原因。 关键词：钢板弹簧；早期；断裂；分析；热处理；喷丸；  

Auto leaf spring fracture analysis method 

Li Tao (Jiang Xi ISUZU Motors Co., Ltd.) 

Abstract: Auto leaf spring in the road test or use will be accidental fracture phenomenon, this paper analyzes the reasons of fracture method from macro and micro fracture of the broken pieces of chemical composition, macrostructure, inclusions, hardness, metallographic, decarburization layer and shot peening inspection, so as to find out the root cause of the fracture. Key words: Leaf spring；Early；Fracture；Analysis；Heat treatment；Shot peening； 

汽车钢板弹簧（下简称：板簧）是汽车关键的弹性元件，主要功能是当路面对轮子传输冲击力时，钢板产生变形，起到缓冲、减振的作用，纵向布置时还具有导向传力的作用[1]。 在路试和正常的使用中会偶发板簧断裂现象，在排除设计原因导致产品强度不够导致断裂的前提下，为查找到断裂的根本原因对其分析过程进行详细诠释。 

一、 断裂宏观微观分析 1. 断裂位置 常规的板簧断裂位置为U型螺栓夹紧位置附近，此种断裂多为板簧寿命达到极限，因板簧在设计过程中此区域为应力最大区（除等应力板簧）[2]，见下图： 

 板簧中心孔发生断裂，此种断裂多为对板簧的夹紧出现松动，中心孔为U型螺栓夹紧的范围内，此段通称为无效段，因U型螺栓夹紧后此段不受到任何力的作用，但是当U型螺栓夹紧段发生松动后，此段将后受到外部传来的应力，而中心孔位置本身就是“缺陷”位置，故会产生应力集中，从而导致板簧发生断裂，此种断裂多数不为板簧本身质量问题。 板簧其他位置发生断裂，这种断裂通常为异常断裂，或因产品本身质量问题导致断裂，或因外部原因导致板簧产生缺陷导致断裂。 2. 断口周围情况 对断口周围进行初步观察，查看断口的凹面和凸面是否存在缺陷，如凹坑、灼烧等，这些缺陷很有可能是导致板簧断裂的根本原因，很多公司都发生过因其他原因导致板簧表面产生凹坑，从而导致板簧断裂的案例，故断口周围情况的调查了解是很重要的，应引起重视。 3. 断口宏观分析 观察断口的断裂纹路，查看是否存在断裂的疲劳源点区(A区)、稳态扩展区(B区)、失稳扩展区(C区)、瞬间断裂区(C区)，见下图。 

 A区为疲劳源点区，此处有较明显的扇形贝纹线，贝纹线中心为疲劳裂源点，应力集中形成点在这个位置，受到较大交变应力后，此处应力集中源点处出现先期细小疲劳微裂纹，且渐次疲劳持续后，形成贝纹扩展； B区为稳态扩展区，约占整个断裂面积的近1/2。表示该板簧在持续路试耐久试验中，承受了持续较大拉伸压缩交变应力后，晶粒产生位错滑移，并出现点型疲劳脊状形态；塑料变形明显；疲劳特殊明显； C区为失稳扩展区，约占整个断裂面积的近1/4。表示该处承受持续拉伸交变应力后，失稳扩展，塑性变形不明显，晶粒组织变形均匀平滑； D区为瞬间断裂区，板片边缘锐边，面积非常小，说明组织韧性较好，失稳后，瞬间撕裂。 4. 断口微观分析 一般为用扫描电镜观察断口的微观特征，进一步的确认断口出的应力集中点，及断裂裂纹，见下图低倍下观察的疲劳源区： 

 高倍下沿晶界断裂裂纹及晶界疲劳条带见下图： 

 微观分析的主要作用是初步判断断裂的一个物理过程，是对宏观分析的一个

诠释和补充，目的是确认断裂源及断裂纹路。 二、 化学成分、低倍组织、夹杂物分析 1. 化学成分 通常这一类的分析是需要材料厂家进行分析的，我国目前普遍使用的材料及常规检查元素（产品材料元素符合要求，材料一般均能满足其力学性能，故一般不用对力学性能进行检测，根据需要可以自行安排），见下表：

项目 类别 C(碳) Si（硅） Mn（锰）S(硫) P(磷) Cr（铬） V(钒)

60Si2Mn 0.56～0.641.50～2.00 0.70～1.00≤0.035≤0.035 ≤0.35 / 55CrMnA (SUP9) 0.52～0.600.17～0.37 0.65～0.95≤0.025≤0.025 0.65～0.95 0.10～0.20

50CrVA 0.46～0.540.17～0.37 0.50～0.80≤0.025≤0.025 0.80～1.10 0.10～0.20

51CrV4 0.47～0.55≤0.55 0.70～1.10≤0.025≤0.025 0.90～1.20 0.10～0.25

55SiMnVB 0.52～0.600.70～1.00 1.00～1.30≤0.035≤0.035 ≤0.35 0.08～0.16

2. 低倍组织 检测要求，见下表： 

项目 类别 锭型偏析 中心疏松 一般疏松

标准值 ≤2.5 ≤2.5 ≤2.5 3. 夹杂物 检测要求，见下表：

项目 类别 A （细) A（粗） B（细)B（粗）C （细)C（粗）D（细) D（粗）

标准值 ≤2.5 ≤2.0 ≤2.5 ≤2.0 ≤2.0 ≤1.5 ≤2.0 ≤1.5 判断材料使用是否有误及材料是否符合标准要求是通常分析的必要手段，通常都是通过以上三个方面对其进行检测的，但是通常材料问题发生的几率相对较小，故此处不做过多说明，材料均要求要符合GB1222‐2007标准。 

三、 硬度、金相、脱碳层 硬度、金相、脱碳层的分析主要是对产品热处理结果的一个分析，热处理是将固态金属采用适当的方式进行加热 、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。因此板簧的热处理对其使用寿命起着至关重要的作用，故充分的分析热处理情况可以有效的查找板簧存在的质量问题，从而查找板簧断裂的主要原因[3]。 1. 硬度分析 硬度指“固体材料抗拒永久形变的特性”，热处理后板簧得到什么样的组织，则产品就会有什么样的硬度，一般淬火硬度要求≥58HRC，回火硬度要求40.5～47HRC，得到的板簧要求硬度合格且均匀。 如果硬度偏高，则板簧的脆性过大，在收到较大冲击的时候，板簧的塑形变形承受能力相对较小，易导致早期断裂。 如果硬度偏低，则板簧的塑形过大，俗称板簧过软，在不断地受到振动冲击中，板簧易被压趴，导致板簧作用失效，从而导致断裂。 如果硬度不均匀，板簧在使用中易产生应力集中于硬度偏低区域，致使硬度低的区域受到较大应力，最终导致硬度低的区域发生早期失效，从而导致断裂。 2. 金相分析 金相组织是指金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组成，我们通常说说的金相泛指晶体结构和物理性能相同的组织。 板簧通过淬火后得到我们需要的马氏体组织，马氏体组织在通过回火得到最终需求的均匀细致的回火屈氏体（注：回火要求在淬火后24小时之内完成），在板簧的国标（GB/ T 19844‐2005）要求中是没有对金相进行特殊要求的，它与硬度是有一定的关联性的，但一般分析时还是要单独的对其进行分析。 板簧的组织可参照机械标准JB 3782中等级分为1～8级，其中1～5级为合格，金相组织不合格也是导致板簧早期失效的重要原因。 3. 脱碳层分析 板簧经热处理后，每边总的脱碳层（全脱碳+标准脱碳）深度不应超过下表的要求，否则会影响到板簧的疲劳寿命： 

片厚/mm 脱碳层深度与片厚的比/% ≤8 ≤3 ＞8 ≤2.5 通过热处理的硬度、金相、脱碳层分析，可以知道板簧在热处理时是否正常，产品热处理结果是否合格，从而确定板簧断裂的主要原因。 热处理不合格势必会导致板簧疲劳寿命受到影响，从而导致板簧早期断裂，而热处理不合格的原因无非是从热处理工艺的加热、保温、冷却及冷却方式等查找，因热处理过程是一个即复杂又简单的过程（复杂在内部组织的转变，简单在看似温度、时间的设定），故在很多生产过程中稍有不注意就会发生问题，所以热处理问题也是板簧断裂常发生问题的根源。 

四、 喷丸 喷丸（或抛丸，本文统一简称喷丸）是用高速运动的弹丸流对板簧表面的冲击而使表面产生循环塑性形变层，由此导致该层的显微组织发生有利的变化并使表层引入残余应力场，加强板簧的疲劳断裂和抗应力腐蚀能力，从而提高板簧的耐久性和可靠性。故喷丸对钢板弹簧起着相当重要的作用[4]。 喷丸的主要判断标准时喷丸强度和喷丸的覆盖率，板簧要求喷丸强度≥0.18C，喷丸覆盖率≥90%，而一般分析的都是失效板簧，不可能对其进行喷丸强度的复检，故通常是对其表面进行处理后观察它的喷丸覆盖率。 喷丸工艺对板簧的寿命起到很大的作用，但是在问题发生后又较难的发现喷丸存在的质量问题，故就需要在生产过程中严格要求，保证产品质量，通常是用ALMEN C试片进行检测，见下图。