弹簧弯曲疲劳断口特征

60Si2MnA弹条疲劳断裂原因分析某公司生产的Φ14mm60Si2MnA弹簧钢用于生产W1型客专弹条扣件，疲劳试验在不足要求(300万次)时发生断裂。

其生产工艺为：下料→加热成型→余热淬火→回火。

针对疲劳强度不合要求的问题，对断裂件的断口形貌、化学成分、金相组织、硬度等进行了分析。

样品的化学成分检测结果见表1。

表1 样品的化学成分(质量分数，%)C Si Mn P S Cr Ni Cu Al0.61 1.780.810.0100.0030.280.020.010.020通过对样品断口的观察发现，裂纹源位于弹条表面，裂纹源处未发现非金属夹杂物。

金相组织为回火索氏体+碟状及竹叶状马氏体，组织有方向性。

弹簧边缘总脱碳层深约0.10mm(脱碳层深度应≤0.03mm)。

样品横截面D/4处的硬度平均值为44.5HRC，满足弹条的硬度要求(42～47HRC)。

上述检验结果表明：弹条样品的化学成分符合GB/1222-1984标准的要求，硬度等也符合要求。

从断口的宏观及微观照片来看，断裂处无塑性变形，断口上有沿晶迹象，裂纹源处未发现非金属夹杂物，裂纹源处为准解理断裂，属于较典型的脆性断裂。

正常情况下，弹簧钢经淬火和回火后可得到综合力学性能和工艺性能优良的回火索氏体。

而金相组织检验发现，组织为回火索氏体+碟状及竹叶状马氏体，不均匀且略显粗大，说明样品心部出现过热。

弹条组织略显粗大和不均匀的组织是降低弹条疲劳寿命的主要原因。

热处理工艺的正确选择对弹簧钢的综合性能具有重要意义，应适当选择淬火回火温度和保温时间。

另外，在生产弹簧时应注意完善成形工艺，保持工件与工装接触面的润滑和光洁，防止工件表面出现较大的塑性变形，减少断裂的可能性。

汽车钢板弹簧断裂失效分析唐刚【摘要】采用金相及断口分析等方法,对早期疲劳断裂失效的汽车钢板弹簧进行综合分析,得出结论:钢板弹簧产生疲劳断裂的主要原因是由于喷丸工艺控制不当,致使弹簧表面存在较多的凹坑,这些凹坑在弹簧工作时成为应力集中点而形成疲劳源.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】4页(P94-97)【关键词】钢板弹簧;喷丸;疲劳断裂【作者】唐刚【作者单位】比亚迪汽车工业有限公司,广东深圳518118【正文语种】中文【中图分类】U460 引言钢板弹簧是汽车悬架的重要组成部分，钢板弹簧在汽车行驶中承受交变应力载荷，其产品质量直接关系到车辆行驶的平顺性及操控稳定性。

某车型采用的钢板弹簧为少片变截面板簧。

该钢板弹簧在进行台架疲劳试验时，加载循环次数在(3～6)万次左右时出现不同程度的断裂现象，而未达到相关技术指标(设计寿命要求达8万次以上)。

该钢板弹簧材料为50CrV钢，钢板弹簧经淬火、回火处理后，表面喷丸处理。

为了找出该钢板弹簧的断裂原因，对其断裂失效件进行了理化检验与分析。

1 检测过程与结果1.1 疲劳试验情况介绍采用的疲劳试验设备为机械式疲劳试验机，按GB/T 19844-2018《钢板弹簧技术条件》标准规定的汽车用钢板弹簧台架试验方法装夹、试验，如图1所示。

1.2 疲劳试验条件按GB/T 19844-2018《钢板弹簧技术条件》标准6.3.4规定：在应力幅为323.6 MPa、最大应力为833.5 MPa的试验条件下进行垂直负荷下的疲劳试验。

图1 钢板弹簧疲劳试验装置1.3 宏观观察断裂发生在前钢板弹簧组第三片，后钢板弹簧组第一、二片，如图2中箭头所指位置,断裂位置距离卷耳235～245 mm。

断口宏观形貌如图3、图4所示。

整个断口表面较平坦，未见明显塑性变形，表面油漆完整。

图2 钢板弹簧断裂位置图3 钢板弹簧断口宏观形貌1图4 钢板弹簧断口宏观形貌2从断裂弹簧的宏观形貌可知，断口具有明显疲劳断裂特征，疲劳源位于受拉应力的一侧，裂纹源处存在多条台阶条纹由表及里扩展，即多源疲劳；说明疲劳源区存在高应力集中现象。

测试报告报告编号：绍质测2015-013测试对象委托单位 诸暨市裕荣弹簧有限公司绍兴市质量技术监督检测院1、 本 报告无 本 单 位 “测 试专用 章 ”无效 。

效Jh 2017T5A21H t Si£I 宵 术 fi|g«X弹簧2、复制本报告未重新加盖本单位“测试专用章”无效。

3、本报告无测试人员、签发人员签字无效。

4、本报告涂改无效。

5、对测试报告有异议，应于收到本报告起十五日内向我院申请复验。

通讯资料地址：绍兴市袍江新区世纪东街17 号邮政编码：312071电话：8传真：0投诉电话：2网址：绍兴市质量技术监督检测院测试报告一.情况说明诸暨市裕荣弹簧有限公司（以下简称裕荣）生产的弹簧，在使用8年后的一次检修过程中发现断裂。

为分析该弹簧断裂的原因，裕荣委托我院对该弹簧进行失效分析，分析其断裂原因。

二.测试过程（一）、失效分析对象描述及作业时间：1、失效分析对象：此次失效分析样品如图1、2所示，图1为裕荣提供的失效弹簧件, 图2为裕荣提供的失效弹簧件的断裂失效断面。

）H n 13 14 15 16 17 18 19 -八图1.失效弹簧件图2.断裂失效断面2、作业时间：2015年2月25日〜2016年3月15日（二）、测试依据:GB/T 1222-2007《弹簧钢》，GB/T 224-2009《钢的脱碳层深度测定法》，GB/T 1239.2-2009《卷圆柱螺旋弹簧技术条件第2部分：压缩弹簧》等。

（三）、测试方法：1、化学成分分析：按照标准GB/T 1222-2007《弹簧钢》的进行检验、判定；2、断口扫描电镜分析：使用扫描电镜观察断口形貌，判断断裂种类；3、金相分析：通过对金相试样显微分析判断断口处与母材处金相组织；4、弹簧尺寸测量：使用游标卡尺对弹簧丝直径，弹簧内径，外径和节径测量。

三、测试结果（一）、化学成分分析裕荣公司提供弹簧失效工件的化学成分分析结果列于表1。

从表1可知，断口附近材料的化学成分符合GB/T 1222-2007《弹簧钢》对牌号60Si2 MnA弹簧钢材料的要求，说明材料性能未发生弱化。

汽车后桥板簧的断裂分析摘要：整车可靠性耐久道路试验中，后桥板簧是重要试验验证对象，是影响整车性能的重要因素之一。

本文通过对耐久性道路试验中的后板簧断裂现象，应用设计复核、宏观分析、微观分析、金相分析、硬度检测等技术手段开展分析判断，阐述了后桥板簧表面凹坑缺陷、后悬架无减振器是造成板簧早期断裂的关键及实施优化的设计方案，为后续车型开发提供必要的经验积累。

关键词：汽车后桥板簧断裂前言板簧是汽车悬架系统的弹性元件，具有可靠性好、结构简单、制造工艺流程短、成本低等优点。

车板簧一般是由若干片不等长的簧片组成，簧片按照一定的组合方式使得板簧呈现线性或非线性弹性特征，在悬架系统中起到缓冲作用。

汽车在非平整路面上行驶时，在交互冲击载荷作用下，各片板簧有相对的滑动而产生摩擦，产生一定的阻力，促使车身的振动衰减。

板簧结构在商用车及轻小型车辆上应用广泛，实际应用场景中，在交变应力下板簧可能发生疲劳和断裂，故板簧应具有较高的疲劳强度和耐蚀等性能。

一、后板簧断裂案例某汽车后悬架根据该车型的总质量、底盘布置等特点，采用板簧结构，用于连接车身与后桥，且不装后减振器。

主要由三片不等长的钢板弹簧组成，并用夹箍将三片板簧固定，防止各簧片横向错位，在弹簧回弹将力传递给其他片，减少主板簧片的应力。

后悬架采用板簧结构，开发阶段需在试验场进行道路耐久试验验证，试验场给汽车提供各种类型的路面试验条件，满足零件的耐久试验要求。

在可靠性耐久道路试验中，3台试验车均出现了后钢板弹簧断裂的情况，在第一片到第三片板簧均有发生断裂情况。

二、后板簧断裂原因探讨为确定后桥板簧断裂的根本原因，应用设计复核、金相分析、硬度检查等技术手段开展分析。

1、设计复核应用CAE软件对板簧设计进行复核，对板簧应力分析结果与已量产车型进行横向对比，根据分析结果并结合设计经验，板簧设计满足设计要求。

按汽车行业标准QC/T 29035-1991对板簧进行强度台架测试，测试结果均不低于试验标准（板簧的疲劳寿命不小于8万次）。

弹簧常见质量问题及处理弹簧负荷达不到图纸要求当弹簧负荷达不到图纸要求时，可以从钢丝直径、弹簧自由高度、弹簧中径、工作圈数等四个方而来分析。

弹簧制造公差对弹簧负荷的影响•弹簧材料造成弹簧刚度误差，两者呈4倍正比例关系；弹簧中径造成弹簧刚度误差，呈3倍反比例关系；工作圈数越多，刚度越小。

2、弹簧变形，达不到图纸要求弹簧在加工过程中，要轻拿轻放，否则极易产生外径变大及弹簧扭曲变形；在卷制旋绕比和节距大的弹簧时，各工序的操作应特别注意，如倒车时速度要慢，搬运卷好的弹簧毛坯时要轻，在去应力退火前尽量少移动。

弹簧在炉中加热要排列整齐，形状特殊或容易变形的弹簧应配H相应的辅助工具；弹簧在磨削端面时，注意磨平，否则会影响弹簧的垂直度。

3、螺旋拉仲弹簧初拉力的调整在卷制具有初拉力的拉仲弹簧时，必须使簧圈间有较大的并紧力，可以把钢丝自身扭转后再绕在心轴上卷绕，可通过调整送料角度和送料的张紧程度，来卷制具有初拉力的拉仲弹簧；用不需要淬火的金属丝卷制的密圈弹簧，均具有一定的初拉力,如不需要初拉力，各圈间应留间隙。

螺旋拉仲弹簧去应力退火温度和保温时间对弹簧的初拉力有很大的影响，温度低、时间短，则保留的初拉力大；反之则保留的初拉力小。

若希望保留较多的初拉力，温度可低到180^Co螺旋拉伸弹簧的初拉力应以卷簧控制为主，去应力退火温度只起到辅助作用。

4、细长弹簧负荷的测量问题细长弹簧的负荷测试，当变形量较大时，弹簧和上下压盘会产生相对转动，使弹簧产生扭曲，所测得的负荷值也不一定准确，此时可轻轻敲击弹簧使其扭曲得到放松；芯轴应涂油，尽量避免和减少芯轴和弹簧内径之间产生磨擦，以提高负荷的准确性。

5、弹簧在使用过程中发生断裂应检查弹簧的断口形状，确定弹簧的断裂形式。

检查弹簧钢丝断口处有无腐蚀，弹簧钢丝有无缺陷，如是经过淬火回火的钢丝，则应检查其硬度值及金相组织。

注意弹簧在表而处理时除氢是否彻底，氢脆会引起弹簧断裂。

弹簧断裂形式可分为；疲劳断裂，环境破坏（氢脆或应力腐蚀断裂）及过载断裂。

某重型汽车后钢板弹簧断裂失效分析摘要：本文对某重型汽车后钢板弹簧断裂失效进行了分析，通过常见的疲劳断裂和静态断裂两种方式进行实验研究，同时借助有限元分析技术，对弹簧设计参数和工况条件进行模拟计算，并对实验结果进行验证。

总结了弹簧失效的可能原因，提出了改进方案，为后续类似产品的研发和生产提供了有力的参考依据。

关键词：重型汽车，后钢板弹簧，疲劳断裂，静态断裂，有限元分析正文：一、引言钢板弹簧作为重型汽车的重要组成部分之一，对其使用寿命和安全性具有重要意义。

然而，在实际使用中，弹簧的疲劳断裂和静态断裂现象时常发生，不仅给车辆的正常行驶带来不良影响，还可能导致严重事故的发生。

因此，对钢板弹簧的失效机理及预防措施进行深入探究，具有重要的理论和实践意义。

二、实验方法本文选取某重型汽车后钢板弹簧作为研究对象，采用疲劳断裂和静态断裂两种方式进行实验研究。

具体步骤如下：首先，选取标准试件并对试件表面进行处理，以保证试件表面光滑无缺陷。

接着，通过万能试验机对试件进行疲劳载荷测试，记录试件被破坏前的循环次数。

最后，在静载荷下对试件进行断裂实验，测量试件断裂强度和断裂模式。

三、有限元分析为了更好的模拟实际工况下弹簧的变形和应力分布情况，借助有限元分析技术，对弹簧的设计参数和工况条件进行模拟计算。

具体步骤如下：首先，根据实际弹簧的构造和材料参数，建立三维有限元模型。

接着，在预先设定的载荷情况下进行计算，得到弹簧的位移、应力和应变等参数。

最后，将有限元计算结果与实验结果进行对比和验证，并进行优化设计。

四、结论与展望通过疲劳断裂和静态断裂两种实验研究方式以及有限元分析技术，对某重型汽车后钢板弹簧的断裂失效进行了深入分析。

研究结果表明，弹簧断裂的原因可能是由于材料性能不佳或设计和制造不合理等多种因素导致。

因此，建议在材料选择、工艺优化和设计方面进行改进，并加强对弹簧的质量管控，以提高弹簧的使用寿命和安全性。

相信未来针对类似产品的研发和生产，本文的研究成果将为其提供有力的参考依据。

No.1疲劳与断裂的概念1.疲劳：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳。

2.疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂，也可简称为金属的疲劳。

引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。

No.2疲劳断裂的分类1.高周疲劳与低周疲劳如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。

例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。

作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。

例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。

2.应力和应变分析应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。

复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。

3.按照载荷类型分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、振动疲劳、微动疲劳。

No.3疲劳断裂的特征宏观：裂纹源→扩展区→瞬断区。

裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。

疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。

瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。

微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。

一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。

No.4疲劳断裂的特点（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。

（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。

弹簧的热处理（一）来源：每天学点热处理弹簧及弹性元件，是量大面广的基础零件，可以说是无处不在。

在动力机械、电器、仪表、武器中作为控制性元件，也是非常关键的零件。

它的基本功能是利用材料的弹性和弹簧的结构特点，在产生及恢复变形时，可以把机械功或动能转换为形变能，或者把形变能转换为动能或机械功，以达到缓冲或减振、控制运动或复位、储能或测量等目的。

所以，在各类机械设备、仪器仪表、军工产品、电器、家具、家电甚至文具、玩具中都广泛使用弹簧。

影响弹簧质量和使用寿命的因素很多，如设计、选材、生产工艺及工况条件等等。

其中，材质和热处理对弹簧的各种性能及其使用寿命有重要的甚至是决定性的影响。

本文分四个主题，分别介绍各类机械设备中常用的弹簧材料和典型弹簧的热处理，对于特殊用途的弹性材料和元件的热处理只做扼要介绍。

一、弹簧的分类、服役条件、失效方式和性能要求1 弹簧分类弹簧种类很多，可按形状、承载特点、制造方法、材料成分和不同用途进行分类。

每一类中又分为若干小类和不同规格。

GB/T1805弹簧的标准中列出了22种，弹簧行业1990年提出的内部标准《弹簧种类》中，把弹簧分为15个小类。

弹簧行业多按形状分类，在机械制造业中多按用途分类或按上述两者综合命名。

如表1 。

▼表1 弹簧的分类典型螺旋弹簧及板簧如图1所示。

▲图1 典型螺旋弹簧及板簧2 弹簧的服役条件和失效形式2.1 弹簧的服役条件和应力状态弹簧的服役条件是指它的工作环境（温度和介质）及应力状态等因素。

工作温度可分为低温（室温以下）、室温、较高温（120℃~350℃）、高温（350℃以上）几个档次。

工作环境介质有空气、水蒸气、雨水、燃烧产物、以及酸、碱水溶液等。

普通机械弹簧一般是在室温或较高工作温度、大气条件下承受载荷。

也有用于耐蚀、承受高应力等各种特殊用途的弹簧。

工作持续时间也是一个值得考虑的重要因素。

▲气门弹簧是要求最严苛的弹簧之一弹簧的载荷特性由弹簧变形时的载荷（P或T）与变形（F或）之间的关系曲线表示。

机械装备的失效分析(续前)第3讲断口分析技术(下)王荣【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2016(052)012【总页数】9页(P833-840,845)【作者】王荣【作者单位】上海材料研究所,上海200437;上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海200437【正文语种】中文【中图分类】TG115;TB303.1 断口的宏观分析断口的宏观分析是指在各种不同照明条件下用肉眼、放大镜、体视显微镜等对断口形貌进行直接观察与分析。

断口宏观分析以断口的整体形貌特征为出发点，然后根据各种形式的断裂所反映出来的规律进行更进一步的分析与判断。

断口的宏观分析使用的放大倍数一般不超过40倍。

3.1.1 断口宏观分析的任务断口宏观分析的任务主要有：①判断断口的基本特征、变形情况和裂纹的宏观走向；②确定断裂的类型和方式，为断裂失效模式诊断提供依据；③寻找断裂起源区和断裂扩展方向；④估算断裂失效时的应力情况；⑤观察断裂源区有无宏观缺陷等。

总之，断口的宏观分析可为断口的微观分析及其他分析指明方向，在断裂失效分析中具有非常重要的作用和地位。

3.1.2 断口宏观分析的内容断口宏观观察的内容主要有：①断口的平直情况和断口的主要特征形貌；②断口的颜色(氧化色、腐蚀产物颜色、夹杂物颜色、光亮情况等)；③断口与主正应力(或主切应力)方向的关系；④断口与成型方向(轧制方向、流线方向)的关系等。

根据断口宏观观察结果，对断口进行宏观判断时还应兼顾以下几个方面：①断裂的位置及其结构特征、周围的工作环境；②断裂位置及其附近的变形程度；③断裂区域的痕迹特征；④断裂源的位置、特征及裂纹的走向；⑤断口的宏观形貌特征；⑥断口的颜色及附着物等。

3.1.3 断口宏观分析的仪器设备断口宏观分析的主要手段是人的肉眼、普通放大镜和体视显微镜。

体视显微镜的主要特点是放大倍数较低，景深较大，观察到的影像具有较强的立体感，能够观察较为粗糙的表面，得到整体而真实的图像。