摘 要:某厂生产的钢板弹簧在台架疲劳试验中发生早期断裂失效.通过宏观分析、断口扫描 电镜及能谱分析、金相检验等方法对钢板弹簧的断裂原因进行了分析.结果表明:钢板弹簧断裂为 早期疲劳断裂,断裂起源于钢板表层夹渣缺陷;夹渣主要为外来夹杂物,大多来自钢液与大包、中 包、水口等接触产生的二次氧化物,也包括脱氧产物上浮不充分;通过在转炉冶炼时由低拉碳出钢 转变为高拉碳出钢,精炼过程中采用石灰等碳含量较高的脱氧剂,转炉内采用铝、硅等强脱氧剂等 工艺的实施,有效地避免了由于弹簧扁钢夹渣缺陷导致钢板弹簧早期断裂失效的发生.
关键词:SUP１０弹簧钢板;台架疲劳试验;早期疲劳断裂;夹渣
中图分类号:TG１５７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９２４Ｇ０４
SUP１０是日本现行国家标准JISG４８０１－２００５ «弹簧钢钢材»中的弹簧钢牌号之一,该钢因具有较 高的抗拉强度、弹性极限及疲劳强度,不仅在日本而 且在我国汽车钢板弹簧制造业中均得到了广泛应 用.疲劳断裂是弹簧钢的主要失效形式之一.弹簧 钢的疲劳性能主要取决于钢材本身的强度和内部缺 陷,包括夹杂物、偏析、白点等,此外钢材表面质量也 是影响弹簧钢疲劳寿命的主要因素之一[１].
国内某厂生产的 SUP１０钢板弹簧总成在台架 疲劳试验中,进行到５．２８万次时发生早期断裂失 效.该 钢 板 弹 簧 的 加 工 制 造 流 程 为:下 料 → 矫 直→钻孔→卷耳→切边→包耳→淬火(成弧形)→ 回火→喷丸→ 装 配 → 预 压 缩 → 喷 漆 → 检 验 入 库. 钢板弹簧热 处 理 工 艺 为:天 然 气 加 热 炉 加 热 弹 簧 扁钢至８５０ ℃,保温３５~４５ min,油淬,淬火摇 摆 时间为３０s;回火温度为４５０ ℃,回火时间为８０~１００min,水冷.为了分析其断裂原因,并寻找防止 断裂的预防 措 施,笔 者 对 断 裂 钢 板 弹 簧 取 样 进 行 了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
钢板弹簧材料为 SUP１０钢,按 GB/T１９８４４－ ２００５«钢板弹簧»中附录 A 规定的汽车用钢板弹簧 台架试验方法装夹,如图１a)所示.按主机厂要求: 在应力幅为６５０MPa、最大应力为１０５０MPa、频率 ３Hz的 条 件 下 进 行 垂 直 负 荷 下 的 台 架 试 验,经 历１２万次振动,钢板弹簧不断裂即为合格.某副钢 板弹簧在台架试验进行到５．２８万次出现断裂,台架 试验被迫提前终止.
该 钢 板 弹 簧 总 成 为 ３ 片 簧,采 用 规 格 为 ２５mm×９０mm 的弹簧扁钢加工制造而成,断片片 序为第３片,断裂位置距离中心孔１１０．６mm 处,如 图１a)所示.断裂起源于钢板表层,如图１b)所示.
１．２ 断口扫描电镜及能谱分析
断口经酒精超声波清洗后,使用 QUANTA４００ 扫描电镜(SEM)进行观察与分析.扫描电镜下断 口形貌见图２,疲劳断口低倍形貌见图２a),贝纹线 放大形貌见 图 ２b).疲 劳 断 裂 源 位 于 试 样 表 层 附 近,可观察到灰色块状物和裂纹,见图２c).对灰色 块状物进行能谱(SED)分析,主要含有氧、钙、铝、 硅、镁等元素,见图３.
１．３ 金相分析
在断裂源 部 位 取 截 面 试 样,经 镶 嵌、打 磨、抛 光后采用 OLYMPUSPME３Ｇ３２３/μn光学显微镜进 行观察.断 裂 起 源 部 位 的 表 层 可 观 察 到 灰 色 物 质———夹渣,夹 渣 处 有 裂 纹 向 基 体 内 部 延 伸,见 图４.对灰色物质进行能谱分析,含有氧、钙、铝、 硅、镁、铁等元素.
试样经３％(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后再 在光学显微镜下观察,基体显微组织为回火屈氏体, 见图５,为该钢板弹簧正常淬回火热处理组织.
１．４ 化学成分分析
在断裂钢板弹簧上取样进行化学成分分析,结 果见表 １.可 见 各 元 素 含 量 均 符 合 JIS G４８０１－ ２００５对 SUP１０弹簧钢成分的要求,有害元素硫和 磷的含量较低.
１．５ 力学性能试验
将断裂试样剩余部分(远离断口处)取样加工成 ?１０mm 标准圆形拉伸试样,在万能试验机上进行拉伸试验,结果见表２.可见各项拉伸性能指标均 符合JISG４８０１－２００５对SUP１０弹簧钢的要求.
２ 综合分析
该钢板弹簧的断裂方式属于疲劳断裂,因此试 样断口上有明显的贝纹线特征.由贝纹线的放射轨 迹线和弓出方向,可确定疲劳裂纹源位于图１b)中 箭头所指的钢板弹簧表层[２Ｇ３],产生于疲劳源处的细 小裂纹不断向周围扩展,在后期扩展较快,断口上因 此出现了裂纹迅速扩展的放射状轨迹线.
由断口及金相分析结果均可知,钢板弹簧断裂源 处存在块状灰色物质,即夹渣.该夹渣的存在使得扁 钢变脆,在台架疲劳试验过程中,该处由于应力集中 首先产生微裂纹[４].钢板弹簧在工作状态下承受冲 击、振动或交变应力等复杂工况,在钢基体与夹杂物 接触点处易形成微裂纹,周期应力作用下微裂纹不断 扩展,最终导致钢板弹簧疲劳断裂.MURAKAMI等 得出钢的疲劳强度与夹杂物尺寸的经验关系如下:夹 杂物尺寸越大,疲劳强度则越低;夹杂物越靠近材料 表面,对疲劳强度的影响也越大[５Ｇ６].
由能谱分析结果可知,该夹渣主要为铝酸钙夹 杂、硅酸盐类夹杂、镁铝尖晶石的脱氧产物(MgO?? CaO??Al２O３??SiO２),根据该夹渣的成分特点及复杂 组成,可判断此类夹杂物主要为外来夹杂物,大多来 自钢液与大包、中包、水口等接触产生的二次氧化 物,也包括脱氧产物上浮不充分.此类夹杂物特点 有:组成复杂,一般为复合夹杂物;尺寸较大,一般超 过４０μm;来源广泛,且多呈现偶然性分布,形状规 律也不明显[７Ｇ８].
研究结果表明:终点碳氧积为０．００２７,因此转 炉出钢碳含量越低,则初始氧含量越高,为保证钢材 冶金质量,则冶炼过程脱氧剂消耗量就越大,则相应 生成的夹杂物就更多,增加了夹杂物去除的难度. 因此,为了保证较低的氧含量和较少的非金属夹杂 物,硅含量较高的弹簧钢冶炼时适宜选择高拉碳出 钢工艺[９Ｇ１０].
在温度达１５００ ℃以上时,精炼过程存在以下 平衡反应
因此使用碳含量较高的脱氧剂,如石灰,有利于 降低精 炼 渣 中 SiO２ 化 合 物 的 含 量.而 在 Al２O３Ｇ SiO２ＧCaO 精炼渣系中,减少 SiO２ 含量有利于减少 钢液二次氧化,因为在该三元渣系中SiO２ 是最为活 泼的化合物,同时随着渣中 SiO２ 含量的降低,可使 得精炼渣流动性提高,便于夹杂物充分上浮并去除.
转炉钢渣中存在以下平衡反应
式中:Y 为铝、硅等脱氧元素.
研究结果表明,在钢液温度、压力一定的条件 下,其平衡常数为
式中:a[O]和aFeO分别为 O 和 FeO 的活度.
因此,降低渣中 FeO 含量有利于降低钢中的氧 活度,从而减少钢液的二次氧化.
３ 改进措施与效果
针对以上分析,该钢厂进行了在转炉冶炼时由 低拉碳出钢转变为高拉碳出钢,精炼过程中采用石 灰等碳含量较高的脱氧剂,转炉内采用铝、硅等强脱 氧剂等工艺改进.实施改进的冶炼工艺后,未再发 生由于弹簧扁钢夹渣缺陷导致钢板弹簧台架疲劳试 验早期断裂失效的情况.
４ 结论
(１)SUP１０钢板弹簧在台架试验过程中发生 早期疲劳断裂主要是因为钢材中存在夹渣缺陷.
(２)夹渣主要为外来夹杂物,大多来自钢液与 大包、中包、水口等接触产生的二次氧化物,也包括 脱氧产物上浮不充分.
(３)转炉出钢碳含量越低,初始氧含量会越高, 高拉碳出钢可降低钢中的氧含量和非金属夹杂物 含量.
(４)降低炉渣中的SiO２ 含量,可使得精炼渣流动性提高,便于夹杂物充分上浮并去除.
(５)降低炉渣中 FeO 含量有利于降低钢中的 氧活度,从而减少钢液的二次氧化.
(６)通过在转炉冶炼时由低拉碳出钢转变为高 拉碳出钢,精炼过程中采用石灰等碳含量较高的脱 氧剂,转炉内采用铝、硅等强脱氧剂等工艺的实施, 可避免由于弹簧扁钢夹渣缺陷导致钢板弹簧早期断 裂失效的发生.
参考文献:
[１] 薛正良,李正邦,张家雯．不同生产工艺对高强度弹 簧钢夹杂物尺寸分布及疲劳性能的影响[J]．武汉科 技大学学报(自然科学版),２００１,２４(３):２２１Ｇ２２３．
[２] 丁礼权,董水要,刘祥军,等．６０Si２Mn钢板弹簧失效 分析[J]．武钢技术,２０１６,５４(４):３６Ｇ３９．
[３] 赵阳,吕梦国,姜全会,等．６DF１ 曲轴断裂失效原因 分析[J]．武汉科技大学学报(自然科学版),２０１２,３５ (６):４３７Ｇ４３９．
[４] 杜丹,汪淑凤,胡义祥．汽车助力转向泵失效分析[J]． 理化检验(物理分册),２０１５,５１(１０):７５５Ｇ７５８．
[５] 吴超,孙宜强,罗德信,等．不同碱度精炼渣系对弹簧 钢夹杂物 的 影 响 [J]．武 汉 科 技 大 学 学 报,２０１３,３６ (４):２５４Ｇ２５７．
[６] MURAKAMI Y, KONADA S, KONUMA S． Quatitative evaluation of effect of nonＧmetallic inclusionsonfatiguestrengthofhighstrengthsteel (I):Basic fatigue mechanism and evaluation of correlationbetweenthefatiguefracturestressandthe size and location of nonＧmetallic inclusions[J]． InternationalJournalofFatigue,１９８９,１１(５):２９７Ｇ ２９８．
[７] 张俊粉,胡心光,康毅,等．８２B钢连铸坯夹渣成因与 控制[J]．河北冶金,２０１４,２２６(１０):４９Ｇ５１．
[８] 吴睿,张晓清,侯丽华．６５Si２MnWA 弹簧钢线状缺陷 分析[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(６):４３５Ｇ４３７．
[９] 范建通,杨峰功,王强．高硅弹簧钢夹杂物控制技术 的研究[J]．河北冶金,２０１１,１８５(５):２６Ｇ２７．
[１０] 李海明．４０Cr钢汽车半轴断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１６,５２(８):５８９Ｇ５９３．
文章来源——材料与测试网