汽車(chē)中的板簧的斷裂失效分析

1、材料斷裂理論與失效分析汽車(chē)中的板簧的斷裂失效分析 專(zhuān)業(yè)： 材料工程（鍛壓） 類(lèi)型： 應(yīng)用型 姓名：* 學(xué)號(hào)： 15S*汽車(chē)中的板簧的斷裂失效分析引言汽車(chē)板簧是汽車(chē)懸架系統(tǒng)中最傳統(tǒng)的彈性元件，由于其可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝流程短、成本低而且結(jié)構(gòu)能大大簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛的應(yīng)用。汽車(chē)板簧一般是由若干片不等長(zhǎng)的合金彈簧鋼組合而成一組近似于等強(qiáng)度彈簧梁。在懸架系統(tǒng)中除了起緩沖作用而外，當(dāng)它在汽車(chē)縱向安置，并且一端與車(chē)架作固定鉸鏈連接時(shí)，即可擔(dān)負(fù)起傳遞所有各向的力和力矩，以及決定車(chē)輪運(yùn)動(dòng)的軌跡，起導(dǎo)向的作用，因此就沒(méi)有必要設(shè)置其它的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，另外汽車(chē)板簧是多片疊加而成，當(dāng)載荷作用下變形時(shí)，各片有

2、相對(duì)的滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生一定的阻力，促使車(chē)身的振動(dòng)衰減，但是板簧單位重量?jī)?chǔ)存的能量最低，因些材料的利用率最差。1. 材質(zhì)是什么？65Mn/低碳鋼哪一類(lèi)合適？材質(zhì)一般為硅錳鋼。因?yàn)樘妓貜椈射撘虼阃感缘?，較少使用于汽車(chē)中；錳鋼淬透性好，但易產(chǎn)生淬火裂紋，并有回火脆性。因此，硅錳鋼在我國(guó)應(yīng)用在汽車(chē)的板簧上較為廣泛。65Mn鋼更為合適，因?yàn)椋旱吞间摓樘己康陀?.25%的碳素鋼，因其強(qiáng)度低、硬度低而軟，又稱軟鋼。它包括大部分普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和一部分優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，大多不經(jīng)熱處理用于工程結(jié)構(gòu)件，有的經(jīng)滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機(jī)械零件。低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性

3、較好。因此可以看出，低碳鋼不符合板簧材料高強(qiáng)度和高硬度的要求。65Mn彈簧鋼，含有0.90%1.2%的Mn元素，提高了材料的淬透性，12mm的鋼材油中可以淬透，表面脫碳傾向比硅鋼小，經(jīng)熱處理后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，但有過(guò)熱敏感性和回火脆性。Mn是弱碳化物形成元素，在鋼中主要以固溶的形式存在于基體中。一部分固溶于鐵素體（或奧氏體），另一部分形成含Mn的合金滲碳體（Fe、Mn）。Mn還能顯著提高鋼的淬透性，改善熱處理性能，強(qiáng)化基體、降低珠光體的形成溫度，細(xì)化珠光體的片間距離，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度?？傮w上，鋼中加入錳為0.9%1.2%，使淬透性和綜合性能有所提高，脫碳傾向減小，但有過(guò)熱傾向及回火

4、脆性，易出現(xiàn)淬火裂紋。且錳鋼價(jià)格便宜，資源豐富。常用作小尺寸各種扁、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條，也可制作彈簧環(huán)、氣門(mén)簧、離合器簧片、剎車(chē)彈簧及冷拔鋼絲冷卷螺旋彈簧。綜上所述，應(yīng)用65Mn鋼更為合適。2. 所選材質(zhì)的合金化原理、性能特點(diǎn)、典型熱處理工藝。2.1 材質(zhì)的合金化原理65Mn鋼化學(xué)成分見(jiàn)表2.1，一般其抗拉強(qiáng)度b(MPa)980(100)；屈服強(qiáng)度s(MPa)784(80)；伸長(zhǎng)率10(%)8；斷面收縮率(%)30；硬度：熱軋302HB，冷拉+熱處理321HB。表2.1 65Mn鋼化學(xué)成分CSiMnPSCrNiCu含量0.620.700.170.370.901.200.0250.020

5、0.100.150.202.2 材質(zhì)的性能要求板簧鋼應(yīng)具有優(yōu)良的綜合性能，如力學(xué)性能(特別是彈性極限、強(qiáng)度極限、屈強(qiáng)比)、抗彈減性能(即抗彈性減退性能，又稱抗松弛性能)、疲勞性能、淬透性、物理化學(xué)性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)。因此所選材質(zhì)應(yīng)具有較高的強(qiáng)度以及適當(dāng)?shù)捻g性，并且具有較高的彈性極限、較好的彈性減退抗力以及較高的屈強(qiáng)比，為了防止板簧在交變應(yīng)力下發(fā)生疲勞和斷裂，彈簧應(yīng)具有較高的疲勞強(qiáng)度和耐蝕等性能，通常為0.21160MPa，b1280MPa，105%，25%。汽車(chē)板簧在工作中反復(fù)承受交變彎曲應(yīng)力，故對(duì)板簧的表面質(zhì)量要求很高，不允許其表面有缺口、裂紋、折疊和斑疤等，表面即使存在

6、微小缺陷和損傷，也會(huì)由此產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞源，導(dǎo)致板簧早期疲勞斷裂口。有研究指出，斷裂板簧的裂源正好萌生于小坑處，并且小坑處組織為針狀馬氏體，且有淬火裂紋存在。故板簧表面的小坑及裂紋是引起板簧早期疲勞斷裂的根源。為了滿足上述性能要求，板簧鋼應(yīng)具有優(yōu)良的冶金質(zhì)量(高的純潔度和均勻性)、良好的表面質(zhì)量(嚴(yán)格控制表面缺陷和脫碳)、精確的外形和尺寸。2.3 材質(zhì)典型的熱處理工藝板簧的主要制造工藝過(guò)程為：下料一鉆孔一軋制切頭一校正一第一片卷耳一端磨一淬火一回火一噴丸一探傷一油漆一測(cè)試。即使是同樣的材料，其熱處理是否合理，導(dǎo)致的壽命相差也很大。因而通常材料在淬火得到馬氏體后，進(jìn)行回火處理，可得到碳化物

7、尚未發(fā)生明顯的聚集長(zhǎng)大，保持彌散的分布狀態(tài)的回火組織。淬火所造成的第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力也幾乎全部消除，但并未發(fā)生再結(jié)晶，仍保留馬氏體針狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化效果，故而有較高的彈性極限。在淬火前對(duì)65Mn鋼加熱到860度，油淬，在380度中溫回火。采用回火屈氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制是：馬氏體在中溫回火溫度，其過(guò)飽和的碳原子析出與鐵原子結(jié)合生成顆粒狀碳化物，馬氏體組織中碳濃度減少，晶格改組轉(zhuǎn)變成鐵素體組織，形成由極細(xì)小的顆粒狀滲碳體分布在鐵素體基體上這種機(jī)械混合物稱之為回火屈氏體。板簧鋼的高彈性極限性能主要依靠這種組織來(lái)實(shí)現(xiàn)。碳化物尚未發(fā)生明顯的聚集長(zhǎng)大，保持彌散的分布狀態(tài)，馬氏體制發(fā)生回復(fù)過(guò)程，由淬火所造成的第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力幾乎

8、全部消除，但未發(fā)生再結(jié)晶，仍保留馬氏體針狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化效果，故而有較高的彈性極限，硬度54.1HRC。淬火工藝為：淬火溫度為850880，淬火時(shí)間有板厚決定。淬火介質(zhì)為10號(hào)輕柴油，在油中冷卻5075s，油溫控制在2050。圖2.1 65Mn鋼淬火溫度與硬度的關(guān)系中溫回火工藝：中溫快速回火，以提高生產(chǎn)效率和強(qiáng)度?；鼗饻囟燃皶r(shí)間視板厚而定，見(jiàn)表2.2。表2.2回火工藝參數(shù)板厚/mm88時(shí)間/min1830回火爐前部溫度/4802046020回火爐后部溫度/6802065020圖2.2 65Mn鋼回火溫度與硬度關(guān)系 圖2.3 65Mn鋼經(jīng)回火后硬度與沖擊性關(guān)系圖2.2描述了65Mn回火硬度隨回火溫度

9、升高而發(fā)生變化的規(guī)律，由圖可見(jiàn)，在180-280范圍內(nèi)回火時(shí)，其硬度隨回火溫度升高而變化不大。在300回火時(shí)，硬度略有升高，為57-58HRC。圖2.3描述了65Mn在870冷淬火后經(jīng)不同溫度回火后的硬度值與沖擊韌度的關(guān)系。圖2.3所示的沖擊韌度有兩個(gè)峰值，其中一個(gè)峰值約為400J/cm2，對(duì)應(yīng)的硬度為50-52HRC，這個(gè)硬度對(duì)冷作模具而言，顯然是偏低的。另一峰值韌度約為380J/cm2，其對(duì)應(yīng)的硬度值為57-58HRC。對(duì)于膜片彈簧成形壓淬模而言，硬度為50-55HRC較為合宜，硬度為55HRC時(shí)，沖擊值為谷點(diǎn)(實(shí)際回火脆性為350左右)，應(yīng)避開(kāi)?；鼗鹱詈蟮玫降慕M織為回火屈氏體。噴丸的目的

10、是為了提高彈簧的強(qiáng)度和疲勞壽命，要對(duì)熱處理后的板簧進(jìn)行噴丸處理。經(jīng)噴丸處理的疲勞壽命一般可達(dá)未噴丸的510倍。3. 服役環(huán)境的要素彈簧在沖擊、振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力下使用，所以要求板簧鋼有高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度。在工藝上要求板簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質(zhì)量好等?？紤]板簧可能的服役環(huán)境為：（1）汽車(chē)板簧需承受來(lái)自汽車(chē)車(chē)廂以及載物的重量，各彈簧片受力變形，產(chǎn)生彎曲變形；（2）汽車(chē)在行駛過(guò)程中，當(dāng)路面不平時(shí)，汽車(chē)發(fā)生較大幅度和頻繁的顛簸，則汽車(chē)板簧需承受沖擊載荷，并因此造成單向循環(huán)彎曲應(yīng)力；（3）當(dāng)汽車(chē)行駛速度過(guò)高時(shí)，也會(huì)加大汽車(chē)板簧的變形幅度，導(dǎo)致板簧加速疲勞而損壞；（4）緊急剎車(chē)

11、會(huì)瞬間加大汽車(chē)板簧的受力，長(zhǎng)期頻繁的緊急剎車(chē)會(huì)對(duì)汽車(chē)板簧造成嚴(yán)重的損壞；（5）汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，若轉(zhuǎn)彎速度較大，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的離心力，加大外側(cè)板簧的負(fù)荷；（6）汽車(chē)行駛的環(huán)境如果較為惡劣，零部件容易發(fā)生腐蝕。4. 有可能發(fā)生的斷裂模式是什么？汽車(chē)鋼板彈簧在汽車(chē)行駛過(guò)程中承受各種應(yīng)力的作用。其中以反復(fù)彎曲應(yīng)力為主，絕大多數(shù)是疲勞破壞，如圖4.1所示。圖4.1 板簧的失效板簧可能發(fā)生的失效：（1）過(guò)載斷裂：當(dāng)汽車(chē)超載時(shí)，載荷的重量超過(guò)板簧的承載能力，此時(shí)板簧往往發(fā)生永久性塑性變形，當(dāng)工作載荷超過(guò)其所能承受的極限載荷時(shí)，將發(fā)生過(guò)載斷裂。（2）脆性斷裂：汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間在北方寒冷空氣下行駛時(shí)，可能因?yàn)榈蜏匕l(fā)生脆

12、性斷裂。（3）疲勞斷裂：由于汽車(chē)板簧長(zhǎng)期在交變載荷下工作，則容易發(fā)生疲勞斷裂。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境下行駛時(shí)，可能因金屬發(fā)生腐蝕而出現(xiàn)腐蝕疲勞斷裂。5. 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定失效的類(lèi)型及其機(jī)理？可通過(guò)對(duì)汽車(chē)板簧的化學(xué)成分分析，對(duì)斷口處的顯微組織分析等試驗(yàn)方法，分析疲勞斷裂件中疲勞裂紋的萌生，疲勞裂紋的擴(kuò)展，以及最后斷裂。具體的分析實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）化學(xué)成分失效的汽車(chē)板簧用65Mn彈簧鋼制備而成，在失效板簧本體上取樣做化學(xué)成分分析，觀察測(cè)試結(jié)果是否符合國(guó)家規(guī)定的65Mn彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)。（2）宏觀分析觀察板簧的斷口形貌，尋找疲勞源區(qū)，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，以及瞬時(shí)斷裂區(qū)。板簧葉片表面（主要是受拉面）如有裂痕，缺口

13、，凹坑等，會(huì)使葉片在受負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起早期疲勞破壞，所以板簧的疲勞斷裂源往往在板簧的表面處。在疲勞斷口處如能觀察到清晰可見(jiàn)的貝紋線，則此處為疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)，外觀較為光滑，主要特征是圍繞疲勞源存在一系列平行的同心弧線，即為疲勞線。而瞬間斷裂區(qū)的外觀較為粗糙，與靜載斷口形貌相似。一般疲勞斷裂的過(guò)程為：局部塑性變形疲勞裂紋的形成疲勞裂紋的擴(kuò)展瞬間斷裂。疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程是疲勞破壞的起始和重要的損傷階段。金屬所受的交變應(yīng)力的最大值低于材料的屈服強(qiáng)度，在較低的應(yīng)力下，材料的變形是局部的，非均勻的，變形嚴(yán)重的地方抗腐蝕能力低，顏色發(fā)暗。微裂紋多在表面形成，主要原因?yàn)椋阂皇且驗(yàn)榘寤伤艿降妮d荷使其發(fā)生彎曲變形，彎曲疲勞時(shí)表面變形最大；二是由于表面脫碳強(qiáng)度降低所導(dǎo)致。65Mn彈簧鋼保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，很容易造成表面脫碳，位錯(cuò)與碳化物或夾雜物相互作用，使相界開(kāi)裂，與基體剝離，形成微孔，微孔合并后形成裂紋源。（3）微觀分析用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口作進(jìn)一步觀察，并對(duì)對(duì)失效件在斷口裂源處縱向取樣作顯微分析，一般疲勞裂紋的擴(kuò)展途徑不是唯一的，可以沿晶擴(kuò)展，也可以穿晶擴(kuò)展。在交變應(yīng)力的作用下，由于位錯(cuò)沿著滑移面往復(fù)運(yùn)動(dòng)而造成圍觀裂紋的萌生和擴(kuò)展。斷口是不均勻的，有許多相互連接而與主裂紋相交的小裂紋，在主裂紋的側(cè)面還有與主裂紋近似平行的小裂紋。在交變應(yīng)力的作用下變形是不均勻的，也不是同時(shí)的，有先有后