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机动车螺旋弹簧的失效分析

摘 要

某些特定类型机动车的螺旋弹簧的频繁失效，为了找出其失效原因，我们开始对一个不能工作的机动车上拆卸下来的螺旋弹簧进行了失效分析。除了宏观观察发现断裂发生在第一个底部螺旋处之外，在分析失效机制时也用了许多其他的实验技术。我们用光学显微镜评估断裂表面基本的微观结构和辨别可能的夹杂，用扫描电子显微镜以适当的放大倍数详细的检测了断裂表面的精细结构并且发现裂纹作为缺陷裂纹萌生点。我们用带有辉光放电光谱仪源光发射仪确定弹簧制造材料的化学成分，此外，我们也做了硬度测试。结果表明：它们固有的材料缺陷、材料疲劳、不充分的腐蚀防护等多种因素都会造成螺旋弹簧的早期失效。已经获得的结果在预防螺旋弹簧在其他相同类型的机动车上的运作情况是有意义的并且对于未来改善设计方面是一种参考，更进一步的分析包括进行有限元法确定在损伤和损坏螺旋弹簧下压力水平和疲劳寿命的数值估计。

关键词：螺旋弹簧；弹簧钢；失效分析

1.绪论

螺旋弹簧被广泛的用在汽车行业作为机车悬挂系统的主要的弹性成员之一。由于弹簧的弹性性质，它被用于作为一个车轮和机动车身之间的连接，它缓和了不平坦的道路到车身的振动，吸收并且随后的减轻外部载荷。由于它们的材料和设计，当卸载之后弹簧趋于回到它们的原始长度。

在汽车行业的发展趋势是连续不断的减轻重量的同时提高它的性能，当然螺旋弹簧也不例外。当前，螺旋弹簧遭受大的压力相比较在当前一代机动车上用的弹簧。在弹簧中材料表面的粗糙度和夹杂物是两个重要的应力集中处。除了应力集中处的存在之外，缺乏微观机构是弹簧失效的另一个主要原因。弹簧的良好的压力水平，合适的材料性能和生产质量变得更重要了。为了确保提高螺旋弹簧的设计和加强它们的完整性，破损螺旋弹簧的失效分析作为一个合适的工具对于制造商和汽车零部件供应商去研究弹簧的失效分析。

对于螺旋弹簧有相当多的研究，Prawoto2008年的论文介绍了汽车悬架螺旋弹簧，它们的基础应力分布，材料的特征，生产制造，一般失效的原因。处理机动车螺旋弹簧的失效，一些最近的工作包括2007年Das用实验方法调查了小客车螺旋弹簧不成熟的失效是由固有的材料缺陷，不充分的加工过程导致的。此外，Kosec在2014年发现一个机动车螺旋弹簧的失效是由循环载荷和腐蚀进入材料表面同时作用导致的。Zhu在2014年分析一个压缩螺旋弹簧安装在一个重型机车上断裂发生在过度位置的轴承线圈的原因。通过实验的方法分析了断裂表面，数值方法确定线圈之间的接触点，这个接触点是线圈裂纹起源。

我们想要提高弹簧的性能，去理解弹簧材料反应是很重要的。Angelova 在2014年给了一个弹簧钢DIN17223C和55Si7（由典型的da/dN的数学模型图得出 ）疲劳做了广泛的概述，Murtaza和Akid研究了在Si-Mn弹簧钢中裂纹萌生和生长行为，目的是去开发一种经验腐蚀疲劳寿命预测模型。Nam研究Si-Cr弹簧钢的凹陷阻力是由于合金添加和回火温度的影响。Barani在2006年通过热处理精炼晶界碳化物尽力去提高Si-Cr弹簧钢的延展性。

高温和表面处理能够有效的提高弹簧的疲劳寿命，Fragoudakis在2014年对56SiCr7弹簧钢通过加热、淬火、回火证明了前面所说陈述。微距喷丸过程也能够有效的利用去提高弹簧钢的疲劳寿命，通过Harada2014年的SUP9弹簧钢研究证实。表面缺陷可能成为弹簧钢失效的主导起源在非常高的循环疲劳领域（2014年Li证实的），强调需要适当的螺旋弹簧钢的表面处理。

虽然对于弹簧失效和弹簧材料似乎以前做过大量的工作，但是研究仍然在继续。新的设计和新的弹簧材料在不断地改变，意想不到的服务条件要求更长远的断裂螺旋弹簧失效分析的研究。这篇文章介入那个方向提出了一点，从机动车中取出一个破损的螺旋弹簧目的是确定失效的可能原因。当地汽车零售商证实有明显失败情况下的特定车辆类型的破损的弹簧已经被取出。当前的研究结构能够被作为一个参考在更长远的提高所涉及到的螺旋弹簧目的是让失效事件能够减小。

2.实验程序

2.1宏观检测

一个机动车的前悬架螺旋弹簧在运行了145000km和7年之后断裂，在过渡点从下轴承线圈到第一个上线圈处断裂。几何和维度考虑封闭式压缩弹簧如图1所示。

2（a）表明从已经断裂的螺旋弹簧剪切下来的样品断裂表面和弹簧线中心线成45度角，它是在循环载荷下典型的扭转疲劳失效。聚合物基油漆层保护弹簧表面免受腐蚀，但是磨斑损坏了断裂表面的保护层。磨斑很可能是由轴承和第一个活跃的线圈摩擦的结果。在这个领域弹簧已经腐蚀了并且弹簧被侵蚀的有皱纹的表面能够在图2(b)中观察到。

弹簧的断裂表面被铁锈覆盖了如图2(c)。部分表面裂纹起源的地方被覆盖厚的黑黑的铁锈层。这是由于部分断裂表面逐渐形成的并且在最后的失效之前长时间的腐蚀形成的。第二断裂区域代表已经加速的断裂阶段，它覆盖有轻微的铁锈层。

更近一步观察断裂表层发现腐蚀坑所在的地方保护油漆层被损坏了。断裂起源于这一点，发射纹从这一点发出表明疲劳失效是由机动车的循环载荷造成的。在裂纹源相反的一面(弹簧线更低的边缘)，和最后失效阶段有关的断裂表面能够被观察到。

2.2弹簧材料

辉光放电光谱仪用来确定弹簧材料的化学成分。

已经被测试的材料的成分是Cr-Si钢61SiCr7。它是一种典型的弹簧钢被用于制造轻的和重的机车钢板弹簧和螺旋弹簧，安全弹簧阀，大型机械的震动吸收，仪器弹簧，摩擦板等。相比较测试钢铁成分标准EN10089-2002，它能够标记Mn的含量低于标准范围(0.7-1％)，Cr的最大标准取值是(0.2-0.45％)。

此外，硬度测试用Struers硬度计Duramin-2测试。平均硬度水平是590HV。钢铁最大的抗拉强度源自于硬度测试，根据Boyer和Gall1985年提出的是

sigma;TS＝3.2HV＝1888MPa

最大抗拉强度值略高于钢铁61SiCr7理应最大标准值1850MPa。

2.3显微分析

图2(a)所示用光学显微镜和扫描电子显微镜检测从螺旋弹簧切下来的样品断裂表面，光学显微技术Olympus SZX10立体显微镜和断裂表面检查集中可能的断裂源区域，如图3。

可以观察到三个腐蚀坑的边缘断裂表面，这个区域是受损的防护漆层区域。这三个坑担任裂纹萌生点的裂纹传播最终到达相反的断裂的边缘表面,导致最终的失败。

图4显示图像的裂纹萌生区域由FEI Quanta250，扫描电子显微镜(SEM)下方法合适的倍数获得。

SEM分析难以执行,因为断裂表面腐蚀受损。检查断裂面的80 x放大显示，严重氧化和腐蚀表面模糊断裂表面的细节。虽然是使用更激进清洁剂尝试去除腐蚀层，在扫描电镜图像下腐蚀产品仍然可以被看到。

3.讨论

视觉检查断裂螺旋弹簧显示保护油漆层周围的断裂是机械损坏。这个损坏可能是通过在下轴承线圈和第一邻边活跃的线圈的连续接触造成的。因此,弹簧钢丝表面被暴露在腐蚀性环境使形成腐蚀坑,图2(b),三个坑担任从车辆循环载荷作用下裂纹萌生点。图2(c)显示主要断裂带是深色调,裂纹传播更慢，开放的表面被暴露腐蚀好长时间。裂纹传播向弹簧线相反的边缘，伴随辐射纹路径。最后，在靠近弹簧线圈的相反的边缘断裂区域，我们能够观察到。

分析显示,弹簧钢61SiCr7制造弹簧。它是一个含有较高的硅胶和铬含量的钢铁。钢中的铬目的是增加抗拉强度、硬度、韧性、耐磨损和腐蚀,而硅在钢的生产中作为一种脱氧剂。它轻微提高抗拉强度,可以帮助增加韧性和硬度。然而,未损坏的油漆层是一个保护弹簧免受长期暴露于腐蚀性环境的保护层。

光学和扫描电子显微镜图像显示损坏线圈表面由腐蚀坑引起的。这是点断裂形式上散发出来。严重氧化和腐蚀断裂表面限制了SEM的检测所以不能获得更深的洞察断裂表面。

4.结论

目前这篇文章的研究关心的是机动车螺旋弹簧失效的可能原因。用实验方法检验断裂的弹簧，即断裂表面的宏观观察、利用辉光放电光谱仪测定化学成分、硬度测试、光学和断裂表面的扫描电子显微镜分析。

研究结果表明,这是腐蚀疲劳失效的一个例子。线圈的防护油漆层受损，这是打开腐蚀坑的可能原因，这个坑作为裂纹断裂的起始点从断裂处并且表面边缘在循环载荷的作用下传播向相反的方向，在断裂表面的辐射纹表明断裂发展的路径。

结果可用于理解螺旋弹簧在汽车悬架系统的断裂行为和对弹簧性能更进一步的提高，最终目的是减小失效。进一步分析将包括

采用有限元法来确定损伤螺旋弹簧和损坏螺旋弹簧的压力水平的和弹簧疲劳寿命的数值估计。

成就

这项工作已经被里耶卡大学给予财务支持，并且批准项目13.07.2.2.04。

氢对弹簧钢固溶体的影响

摘 要

这篇是关于弹簧钢脆性断裂的问题的文章，弹簧钢的脆性断裂发生在早期弹簧的加工过程中，比如在轧辊，轧制钢的剖面剪切还有其他一些机械加工中，在弹簧的加工过程中已经检测到氢的有害影响。为了更深层次的研究这个问题，机械试验和显微镜观察分析关于两种弹簧钢的阴极氢化测试标本断裂表面。在有和没有合金氮的情况下，目的是确定在对脆性断裂良好的抵抗力下氢的临界浓度在相对韧性断裂表面发生之下和关于氢脆的发生。

关键词：弹簧钢，氢，氢脆，氢的临界量

1.绪论

原子氢在金属中的作用造成的损害分类为常见的由环境造成的损伤但不是必要条件，和材料的应力也有关系。像损伤以不同的方式发生在特定的合金或合金群，比如脆性断裂，延展性的下降，起泡，氢化物的出现等等。氢的损伤不仅仅是依赖于环境，材料所受的应力，而且和合金的种类有关，和它的化学成分、晶体结构、晶体中大量的缺陷都有作用，这些缺陷中位错是最主要的影响。钢对氢脆的敏感性通过晶面上原子的排列方式，原子间距离，电子构型强烈的影响，金属晶体化的方式，显微结构，晶体类型，单独相和其他成分的分布方式和数量，表面状态，材料的强度和粗糙度。因此材料的这个问题是非常复杂的。它们和发生再电极表面的反应是相互联系的（如果被涉及的材料的氢化作用是由腐蚀或者电化学氢的来源作为最频繁发生的原因）和原子氢渗入金属的过程也有关系，和氢运输到金属的内部且对晶体产生坏灭性的作用也有关系。原子氢传输到晶体内部这个独立的机制是相当复杂的并且有很多相关的因素。因此运输氢依赖于微观结构的应力梯度，氢和位错的相互作用还有可能氢被陷入一种间隙中固溶到晶体中等等。每当后者达到临界数量扩散到某些区域时，材料对氢就变得敏感，然而在这种情况下更少数量的裂纹将既不会被发起也不会发展，因此减小氢脆的可能性。这些潜在的有危险的区域已经包含有各种各样的缺陷。因此现代氢脆理论依据位错氢的发生。它是在这个基础上，位错理论被发展，根据当位于裂纹附近的间隙氢的数量超过一定临界值的时候一个裂纹会产生。氢将会传播到金属中在这些需要最小的作用能的区域，在金属中它可能会发生：

-间隙中溶解原子氢，这些氢以原子云的方式出现，这有占据空隙的趋势和向外迁移的趋势，

-原子氢被陷入空隙中，

-原子氢在适当的位置（间隙）的重组将形成分子氢，

-氢以氢化物的形式存在。

很明显分子氢不再移动。它以气体分子的形式借助压力到邻近的环境这样一种方式通过变成一种气体（Zappfe机制），它能造成微裂纹，并且这些裂纹的会发生组合甚至是微裂纹的组合。陷入一个间隙洞中的原子氢在充分的条件下它自己和和附近处的另一个原子氢结合成一个分子，或者在足够大的作用力下（比如在额外热作用下）它能够逃离再一次变得可移动。这个可移动的氢是尤其危险因为在合适的位置也就是在间隙处它能够聚集最大数量的氢，它能够减弱金属间原子之间的结合力或者它能够结合分子氢，或者在某些金属系统它能够导致危险氢化物的形成。由于可移动氢的作用，可能会发生延迟断裂，当氢的作用超过了一段时间它是一个最频繁被观察到的结果。延迟断裂事实上以裂纹缓慢增长，这发生由于多余氢的作用，这些多余的氢不能固溶在晶体中。

这项研究工作是关于生产弹簧过程中氢对弹簧钢的影响。在钢铁加工过程的早期阶段显示了氢的消极影响。在机械剪切和其他各种机械加工（如塑性变形）对钢锭也就是说厚度，热力学未处理的平板就可以看到氢的消极影响（如图1）。钢铁氢化作用发生在再融化和精炼金属的过程中，这时候氢在铁中的溶解性是高的，在这个阶段继续硬化钢锭，一些氢发散到钢铁之外，但是一些质量的所谓的内部的或者含有氢的物质仍然存在，这是相关的氢化反应对于钢铁的氢脆。在连续铸造之后为了避免这样一些情况的产生，立刻去减少固溶的氢的数量是必要的，这能够被做通过对钢锭进行在650℃进行恒温扩散退火，这个温度根据钢铁种类而定。然而，这篇文章这个问题出现关于退火时间是和间隙氢原子的聚集程度相关的或者是和被拖入间隙的原子氢的聚集程度有关，事实上，钢锭在在加热过程氢在不断地聚集，随着金属中固溶的氢的数量改变，在工业上有一个准确的预测对所需要的退火时间是必要的。

2.材料和研究方法

测试所用的基本的材料是由两种类型的弹簧钢组成，以未经热处理的形式和厚的型材，它的尺寸是100*50mm（宽度*厚度）和珍珠状铁素体的微观结构，更小的从这些轧辊板材剪切下来的方形的板材的尺寸是22*22mm，退火36h在650℃目的是在平板连续不断的铸造之后减小固溶在钢铁中的氢。不含氢的样品测试之后不久通过电化学方法被氢化导致预期的氢的聚集。

研究的钢的化学成分如图表1所示

由于氢脆关于机械性能急速变坏（尤其是延展性）的氢的临界数量，通过氢化作用确定，拉伸有一个6mm的直径的试样。

氢的电化学反应如下：

-除去空气的反应1NH2SO4 10mgAs2O3/1,20℃

-借助于阴极极化氢

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