SUP9弹簧扁钢疲劳试验研究与分析

2013年12月02日

通过钢板弹簧的疲劳试验,认为转炉冶炼SUP9(对应国标65Mn弹簧钢)弹簧扁钢的疲劳寿命可以达到国家标准要求。采用化学分析、断口分析、金相分析和硬度检测等方法,对疲劳断片进行了分析。分析结果表明:部分断片断裂处存在摩擦马氏体组织,部分断片回火硬度偏低,个别断片中发现非金属夹杂物超标等现象。簧片成型及装配质量的保证,板簧回火工艺的完善,冶金质量的提高将进一步提升其疲劳寿命。

3.1  疲劳试验设备      采用的疲劳试验设备为机械式钢板弹簧专用疲劳试验机,并按GB/T19844-2005《钢板弹簧》标准中附录A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。    图1  疲劳试验设备及总成装夹方法  3.2  疲劳试验条件      按GB/T19844-2005标准4.6规定:在应力幅为323.62Mpa、最大应力为833.5Mpa的试验条件下,进行垂直负荷下的疲劳试验。  经设计计算即为振幅26mm、预加变形量41mm,并按“U”型螺栓夹紧距170 mm夹紧,进行垂直负荷下的疲劳试验,要求其疲劳寿命不低于8万次。  3.3  疲劳试验结果      具体疲劳试验结果见表1。板簧断裂位置基本上分为两类,3#和5#样属非正常断裂, 其余的七个试样断裂位置基本在距中心孔140mm~205mm之间。见图2和图3。  表1  疲劳试验结果  样品编号 疲劳寿命 断裂片序 断裂位置 备注 1# 12.3万次 第七片 距中心孔140mm  2# 15.7万次 第七片 距中心孔160mm  3# 9.8万次 第八、九片 在中心孔处断裂 非正常断裂  4# 15.6万次 第六片 距中心孔205mm  5# 7.9万次 第八片 在中心孔处断裂 非正常断裂  6# 9.4万次 第六片 距中心孔195mm  7# 11.9万次 第七片 距中心孔145mm  8# 19.5万次 第六片 距中心孔150mm  9#  20.7万次  第七片  距中心孔140mm         图2  3#样疲劳断裂位置                  图3  2#样疲劳断裂位置  4  疲劳断片的检测分析 4.1  化学成分分析       我们在断片附近取样进行了化学成分分析,结果见表2。  表2  化学分析结果   化学成分(质量分数)/%  化学元素 C  Mn  Si  P S Cr JIS标准要求 0.52~0.60 0.65~0.95 0.15~0.35  ﹤0.030 ﹤0.030 0.65~0.95  检测值  0.55  0.68  0.26  0.011  0.003  0.89  4.2  宏观断口形貌分析  从其宏观断口形貌来看,所有的断片均具有十分明显的疲劳断口特征,但总体上却可以分为两类,一是有的断口具有多个疲劳源,如图4所示。二是有的断口就只有一个疲劳源,如图5所示。      图4  6#样断口形貌                     图5  8#样断口形貌  在进行宏观断口分析时,我们在1#、3#和6#样断口处的弹扁表面上发现有非常严重的打击或是摩擦痕迹,取该部位磨制成金相试样,进行了显微硬度测试和金相组织检验,结果发现其显微硬度特别高,金相组织为异常组织摩擦马氏体[1] ,如图6、图7所示。     图6  6#样摩擦马氏体区HV776.7(HRC63.1)     图7  6#样表面摩擦马氏体组织  4.3  硬度检测及金相分析      我们对上述九个疲劳试验断片进行取样,分别做了硬度检测和金相分析,其结果汇总见表3和图8、图9、图10。  表3  硬度检测及金相分析结果汇总表  样 品编号 非金属夹杂物(级)  组织  硬度(HRC)  A B C D DS  细系  粗系  细系  粗系  细系  粗系  细系  粗系  边部 中心 边部  1# 0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0    细致的回火屈氏体 38.1 38.9 37.6 2# 0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0    细致的回火屈氏体 40 40.1 41 3# 0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0    细致的回火屈氏体 42 42.9 42.9  4# 0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0    中等细致的回火屈氏体  39 39.2 39 5# 0.5  0   3S  0  0.5  0  0.5  0   2 细致的回火屈氏体 40.5  41  40.2  6# 0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0  1 细致的回火屈氏体 40.8 40.6 40.9 7# 0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0    细致的回火屈氏体 40.5 40.9 40.1 8# 0.5 0 0.5  0  0.5  0  0.5  0    中等细致的回火屈氏体+ 少量贝氏体 43 43.1 42.5 9#  0.5  0  0.5  0  0.5  0  0.5  0      细致的回火屈氏体+少量 贝氏体  42.5  43  42.7      图8  5#样非金属夹杂物       图9  1#样细致的回火屈氏体           图10  9#样细致的回火屈氏体+少量贝氏体  5  分析与讨论  ⑴从我们所做9副总成的疲劳寿命来看,3#和5#总成断裂位置在中心孔处,说明这两副总成在疲劳试验过程中夹紧部位的骑马螺栓已经松动,属非正常断裂(疲劳试验过程中按标准要求扭紧骑马螺栓即可避免),剔除这两副总成的疲劳寿命次数后,其它总成的疲劳寿命均超过了标准要求,并且这7副总成的平均疲劳寿命达到15.01万次。  ⑵从该材料的化学成分分析来看,其结果是符合GB/T1222-2007标准要求的。 ⑶宏观断口分析显示,所有断片均具有十分明显的疲劳断口特征。但在1#、3#和6#样表面摩擦痕迹非常严重处取样进行金相组织检验时,发现异常组织摩擦马氏体,见图7。摩擦马氏体属重载摩擦条件下形成的异常组织  [1] ,硬度特别高,见图6,脆性大,易形成与基 体组织(回火屈氏体)交界处的显微裂纹,所形成显微裂纹在重载摩擦条件下迅速扩展,形成疲劳裂纹源,引起疲劳早期断裂。因此在簧片淬火成弧型时,其曲率半径一定要保证一致(特别是多片簧),片间应均匀涂抹石墨钙基脂,以减小片间摩擦。  ⑷从金相分析的结果来看,除5#试样的非金属夹杂物超标外,其余试样的非金属夹杂物级别均在合格范围内;金相组织观察显示,所有试样的金相组织均合格。虽然只有一个试 样的非金属夹杂物超标,但是我们认为在炼钢及连铸工艺方面,还应加强转炉出钢脱氧及合金化工艺改进,采用LF炉精炼渣系控制、连铸全程保护浇铸、中间包钢水覆盖剂及结晶器保护渣优化等技术,从而进一步提高钢的纯净度,减少钢中非金属夹杂物。  ⑸从其硬度检测情况来看,除1#和4#试样的硬度稍微偏低之外,其余试样的硬度均在合格范围的下限,因此其回火温度最好是向下调整一些。  6  结论  ⑴转炉工艺冶炼的SUP9弹簧钢用于制造汽车钢板弹簧,其疲劳寿命应该是可以达到国家标准要求的。  ⑵在炼钢及连铸工艺控制较好、保证簧片成型及其装配质量、板簧的回火工艺设计恰当的前提下,该产品的疲劳寿命还可以大幅提高。

来源:上海允轧型钢有限公司