在某房車用少片簧安裝后的道路試驗過程中,試驗里程要求為5 518 km,當車輛行駛至405 km時,少片簧發生了斷裂事故(見圖1),斷裂部位位于板簧卡箍附近。該少片簧長度為1 415 mm,材料為51CrV4鋼,熱處理工藝參數為：淬火溫度為910 ℃,保溫時間不少于30 min,油冷,回火溫度為410 ℃,保溫時間不少于2 h,水冷。生產工藝為,下料→矯直→變截面軋制→鉆孔→卷耳→切邊→包耳→壓淬→回火→噴丸→裝配→噴漆[1]。筆者采用一系列理化檢驗方法研究了房車少片簧斷裂的原因,以防止類似事故再次發生。 

圖  1  少片簧斷裂現場

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

少片簧斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口表面比較平整,整體呈灰白色,無明顯塑性變形；少片簧表面存在一個疲勞源,疲勞源占斷口面積很小,呈半月狀,有黃褐色銹蝕斑塊；裂紋源和擴展區占斷口面積比較小,表明瞬斷時的負載很大,這與試驗條件相符[2]；擴展區貝紋線不明顯,同時可見明顯的“人”字形擴展形貌,呈放射狀向外擴展,且尖部指向裂紋源方向[3]；在遠離裂紋源斷口邊緣可見剪切唇形貌。 

圖  2  少片簧斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在少片簧斷口附近取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：斷裂少片簧的化學成分滿足技術要求。 

1.3   硬度測試

對斷裂少片簧進行硬度測試,可知少片簧中心部位的硬度為49 HRC,滿足技術要求(45～50 HRC)。對斷裂少片簧脫碳層硬度進行測試,企業標準中規定,少片簧橫向截面0.2 mm深度處的硬度應不小于2～5 mm深度處硬度的80%。斷裂少片簧距離表面4 mm和0.2 mm處硬度分別為499,404 HV,其脫碳層硬度滿足企業標準要求。 

1.4   金相檢驗

在斷口附近取樣,將試樣進行拋光、腐蝕處理,然后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：少片簧表面未見全脫碳層,與硬度測試結果吻合；少片簧表面有裂紋源與小裂紋相連,噴丸層變形淺,說明噴丸效果不理想,且斷裂源及其附近存在折疊缺陷,折疊底部存在小裂紋；少片簧表面存在異常的不規則凹坑和小裂紋,經供方排查,確認不規則凹坑為變截面軋制輥印缺陷；經淬火回火處理后,少片簧的顯微組織為回火屈氏體,為正常的淬回火組織,由于其成分不均勻,心部組織呈條帶狀。 

圖  3  斷裂少片簧的金相檢驗結果

按照GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》,對少片簧的晶粒度進行評級,結果為8級(見圖4),滿足技術要求。 

圖  4  少片簧晶粒的微觀形貌

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在少片簧斷裂源處取樣,將試樣去漆、清洗后,置于掃描電鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：裂紋源區平坦,呈圓弧狀,擴展區存在放射狀條紋,這兩個區域均呈沿晶和穿晶斷裂特征；斷口邊緣剪切唇處有韌窩形貌,少片簧表面可見較多的細小裂紋。 

圖  5  少片簧斷裂源處SEM形貌

對試樣進行能譜分析,結果如圖6所示。由圖6可知：裂紋源區不存在S、Cl等腐蝕元素。 

圖  6  少片簧斷裂源處能譜分析結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,該少片簧的化學成分、硬度、晶粒度、脫碳層深度和顯微組織等均符合技術要求。路試時天氣晴朗,道路干燥無泥水,且少片簧斷裂源處不存在腐蝕元素,因此排除應力導致斷裂的可能性。少片簧發生了低周疲勞斷裂,當其受交變載荷作用時,局部區域會產生多系滑移和單系滑移,表面發生塑性變形的區域不僅形成了滑移臺階,還形成了駐留滑移帶缺陷,滑移帶缺陷內晶體缺陷密度高度集中,從而破壞了金屬晶體原子之間的結合鍵,最終成為裂紋源[4]。疲勞裂紋通常產生于金屬零件表面,零件的疲勞壽命與表面質量有關。 

由金相檢驗和掃描電鏡分析結果可知,疲勞源及其附近存在折疊缺陷,產生了應力集中,少片簧表面形成了駐留滑移帶,對原子的結合鍵造成破壞。折疊紋和凹坑底部存在小裂紋,在交變應力的作用下,裂紋萌生并擴展,形成較平坦的擴展區,隨著裂紋的不斷擴展,少片簧的橫截面積不斷變小,最終導致少片簧發生失穩斷裂。除此之外,少片簧噴丸表面的變形不明顯,說明噴丸的效果不好[5]。 

3.   結論及建議

在滿載路試的環境下,噴丸折疊處產生應力集中,使少片簧萌生裂紋,裂紋不斷擴展,最終導致少片簧斷裂。 

噴丸效果理想時,表面質量可以改善,使少片簧表面產生殘余壓應力,延長少片簧的壽命。噴丸效果不理想時,產生的殘余壓應力變小。建議優化少片簧表面質量,調整少片簧變截面的軋制工藝,提高其表面平整度。調整噴丸時間和強度等參數,以優化噴丸效果。 

文章來源——材料與測試網