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1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y读书报告客车悬架钢板弹簧断裂失效分析Failure Analysis of Bus leaf spring suspension学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 金属材料工程0701 学生姓名： 刘杰 指导教师姓名： 陈康敏 指导教师职称： 副教授 2011 年 6 月 2目 录第一章 弹簧及弹簧的种类11.1弹簧11.2 弹簧的种类1第二章 板弹簧2第三章 弹簧钢33.1国内外弹簧钢发展概况33.2 弹簧钢的性能特点43.3 弹簧钢的发展趋势5第四章 弹簧钢中各合金元素的作用5第五章 弹簧钢的热处理工艺75.1 悬架
2、弹簧的热处理工艺75.2 主要弹簧钢的热处理工艺8第六章 弹簧的服役条件和失效方式96.1 弹簧的服役条件和应力状态96.2 弹簧的失效方式10第七章 失效分析107.1 失效分析概述107.2 断口分析107.3 弹簧钢失效分析所得出的结论11第八章 扫描电子显微镜138.1 基本原理138.2 扫描电镜的结构14参考文献16第一章 弹簧及弹簧的种类1.1弹簧弹簧的机械特性是：一旦施加外力，它就发生弹性变形，吸收并积蓄能量；如果外力取消，它会把吸收的能量释放出来并恢复原形。为此，弹簧可用来吸收振动和缓和冲击；利用其恢复力产生动力或恢复原位；用来连接物件等等。车辆与轨道、接触网或其他车辆动态接
3、触时，车辆各部件的相互接触点或面上多会受到力。为了缓冲这些接触部位的力，以维持圆滑的接触，并把部件的强度保持在适当的水平以实现小型轻量化，在车辆各部分使用了许多各种形式的弹簧。1.2 弹簧的种类(1) 螺旋弹簧将钢棒或钢丝卷成螺旋形就是螺旋弹簧，这在车辆上用的最多。用轴弹簧和枕弹簧的情况下，大多数还同时使用吸收振动的减振器。(2) 板弹簧板弹簧是利用可弯曲的钢板制成的弹簧，也有用多层重叠制成的多层板弹簧。新干线电动车组的轴箱使用多层板弹簧，这种弹簧弯曲时多层板之间产生的滑动摩擦可吸收振动，但这种摩擦不稳定，而且板弹簧较重，最近几乎不用了。(3) 扭曲弹簧扭曲弹簧是利用轴的扭曲制成的弹簧，多数称
4、为扭力棒。用于转向架抗侧滚，其结构极简单。牵引电动机的扭轴也兼作弹性联轴器。(4) 盘弹簧盘弹簧是具有圆锥斜面的环状弹簧，由内环和外环组成，尺寸较大的可吸收较大能量，用作连接器的缓冲器。(5) 涡卷弹簧涡卷弹簧是用薄的细长钢片卷制成的弹簧，一般称为钟表弹簧。直流牵引电动机刷握上通常使用这种弹簧。(6) 碟形弹簧碟形弹簧的形状如碟子底部，其受力方向较薄的弹性系数较大。用于缓和轴向冲击。(7) 减振橡胶是利用橡胶弹性制成的弹簧，它能对付三个方向(即X 、Y 、Z 轴方向）的振动，也具有衰减元件。它较容易安装且使用方便。但耐候性比金属弹簧差，使用温度范围也较窄。除用于机械中防振之外，也在轴弹簧或联轴
5、器的缓冲弹簧中应用。（8) 空气弹簧空气弹簧是利用空气的压缩性制作的弹簧，使用中其弹性系数可以控制。有膜片型和波纹管型两种。在车辆的枕弹簧中广泛使用，不仅吸收上下振动，还可用来调整车辆地板面的高度。又因其弹性系数正比于荷重变化，故车体的振动频率变化不大。通过将辅助空气室的空间适当缩小便可使振动得以衰减，所以不必再使用减振器。另外，空气弹簧不仅上下动作，而且横向也起作用，因此可以适当地设定转向架的转动刚性。另外它还用于车体倾斜装置1。第二章 板弹簧板弹簧（blade spring）：由不少于1片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。 板弹簧按外形分类： （1）椭圆形板弹簧（2）半椭圆形板弹簧 （3）四
6、分之一椭圆形板弹簧 （4）片弹簧。 椭圆形板弹簧、半椭圆形板弹簧及四分之一椭圆形板弹簧均为组合型式的板弹簧，依靠板与板之间的摩擦力而具有较高的缓冲和减振性能，广泛应用于汽车、拖拉机和铁道车辆的悬架系统； 片弹簧为单片弹簧钢，多用于机械设备和仪器仪表中压紧工作部件,见图1.。 图 1 各种板弹簧第三章 弹簧钢3.1国内外弹簧钢发展概况中国的弹簧钢在20 世纪50 年代曾参照前苏联的弹簧钢牌号，主体为Si2M n 系列的弹簧钢，由于Si2Mn 系弹簧钢存在淬透性低的缺点，随着国民经济的快速发展，已不能满足中国工业发展的需要，后经1977 年、1984 年两次修订，删除了一些无用的牌号，增加了高淬透
7、性Cr2M n 系弹簧钢。目前生产使用并列入GBT 12222007 中的弹簧钢有15 个钢种，其化学成分见表1。美国弹簧钢无论是种类还是数量都比较多,但经常使用的钢种是9260、9254、5160 和改进型5160等, 尤以5160 (H) 和9260 应用最广、产量最大美国弹簧钢无论是种类还是数量都比较多， 但经常使用的钢种是9260、9254、5160 和改进型5160等，尤以5160 (H) 和9260 应用最广、产量最大。日本弹簧钢标准J ISG4801中收入9个钢种。1984年修订J IS G4801时， 由于弹簧钢SUP4没有实用价值而被删掉, SUP3也只是作为铁道车辆板弹簧的
8、补充使用。德国弹簧钢标准D IN 17221 中共有6 个钢种,其化学成分见表2。其中38Si7 是Si2M n 钢54SiCr6、56SiCr7 是Si2M n2Cr 钢, 55Cr3 是Cr2M n 钢, 50CrV 4 是Cr2V 钢，51CrMoV 4 是在50CrV 4 的基础上添加了一定含量的Mo元素，大大提高了钢的淬透性及回火稳定性，适用于制造在高温环境下工作的超大型弹簧2-3。表2 德国弹簧钢标准DN17221钢种化学成分/%钢号CSiMnCrMoV38Si70.35-0.421.50-1.800.50-0.80-54SiCr40.51-0.591.20-1.600.50-0.
9、800.50-0.80-60SiCr70.57-0.651.50-1.800.70-1.000.20-0.40-55Cr30.52-0.590.25-0.500.70-1.100.70-1.00-50CrV40.47-0.550.15-0.400.70-1.100.90-1.20-0.10-0.2051CrMoV40.48-0.560.15-0.400.70-1.100.90-1.200.15-0.250.08-0.153.2 弹簧钢的性能特点 弹性门坎和弹性极限。微量塑性变形抗力一一弹簧合金的一个主要性能用条件弹性极限来表征是最可靠的，其相应出现的残余变形量约为10-3或最好为10-4。弹性
10、极限和比例极限(有时也用于评定弹性合金的质量)的主要区别，不在于所规定的残余变形的大小，而在于它在试验时方法相同具有较向的测量精度，因为它仅仅测定卸裁后的残余变形。此外，弹性极限也可以直接地表示出产生一定残余变形的相应应力值。 宏观弹性极限对应于出微量塑性变形的第一阶段向第二阶段的过渡，第一阶段的特点是硬化系数很高而第二阶段的硬化系数急剧地降低，并且残余变形的累积速度增大。微量塑性变形发展的这两个阶段的物理本质是各不相同的。在第一阶段，位错、磁畴壁等其移动不很大，相反地，该阶段发展的程度主要决定于表面和体积不均匀性的存在，因此，这与合金的成分和处理无关，不过这尚未定论。在第二阶段，与第一阶段不
11、同，发生了不可逆的组织变化(包括恢错结构的变化)。由此可见，宏观弹性极限具有确定的物理念义。弹性极限技术上的意义在于共大小可表征一个极限应力，这一极限应力是弹性元件加载过程中不得超过的。3.3 弹簧钢的发展趋势（1）弹簧钢向高强度方向发展提高弹簧设计应力、减轻弹簧重量是弹簧的发展方向。影响弹簧钢设计应力的两个主要因素是有弹簧钢的合金元素含量并添加微合金化元素；另一方面借鉴航空用超高强度钢的经验，降低含碳量并添加V和Nb等。（2）弹簧钢向高弹减抗力方向发展由于决定弹簧许用应力的主要因素是弹减抗力，因此提高弹减抗力一直是高强度弹簧钢研究开发的重点。（3）弹簧钢向高纯净度方向发展国内外钢厂和汽车厂对
12、弹簧钢氧含量提出了很高的要求，如瑞典SKF 标准要求弹簧钢氧含量低于15 mg/L ，夹杂物最大尺寸小于15 um。弹簧钢生产企业应从冶炼工艺及连铸工艺两方面入手，通过采取加强原料管理、合理配料、精料入炉，强化冶炼操作、优化冶炼工艺，改进脱氧、造渣制度、强化炉解精炼等措施，生产高纯净度弹簧钢4-5。第四章 弹簧钢中各合金元素的作用合金化元素在钢中应用的基本原理在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金元素与碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用，这些因素综合的对钢产生了强韧化效果，同时提高材料的工艺性能。60CrMnBA涉及的化学元素主要有
13、C 、S i 、M n 、C r 、B 等，其作用分述如下：（1）碳 设计C含量的应主要考虑固溶强化及回火二次沉淀硬化所需。C是主要的强化元素，C溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化作用，它与强碳化物形成元素形成碳化物析出时，起沉淀强化作用。碳对弹簧的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大的影响。弹簧钢要求较高的强度和疲劳，一般在淬火中温回火的状态下使用，使获得较高的弹性极限。为保证强度，弹簧钢中必须含有足够的C，但随C含量的上升，塑形、韧性会下降。为了提高弹簧钢的韧性和塑性，碳含量有降低的趋势。C含量高虽然对强度、硬度、弹性等有利，但塑性、综合性能不够理想、韧性较低，易脱碳，对弹
14、减抗性不利，影响弹簧的疲劳寿命。（2）硅 Si不是碳化物形成元素，基本上以固溶态存在，具有固溶强化效果高于Mn，在常用合金元素中名列前茅。Si本身不仅有固溶强化作用，而且能改变钢回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态等，提高钢的回火稳定性，因此，对提高材料强度、硬度有好处。当合金元素和C含量在一定的范围内时，Si对弹性减退抗力的贡献居各种合金元素之首。Si增强抗弹性减退的能力随着含量增加而增强，在含量1.5%时效果最佳。但是，Si也可能在一定程度上对塑性、韧性产生不良影响。Si含量较高时还助长钢加热时的脱碳、石墨化和晶粒粗化倾向。一般弹簧钢中硅含量不大于0.3%。 （3）锰 Mn是弱碳化物形成元素
15、，在钢中主要以固溶的形式存在于基体中。一部分固溶于铁素体（或奥氏体），另一部分形成含Mn的合金渗碳体（Fe、Mn）3 C。以固溶形式存在的。Mn具有较强的固溶强化效果，Mn对铁素体的固溶强化作用仅次于P和Si。同时Mn是奥氏体稳定化元素，能扩大奥氏体相区，钢中加入Mn还能显著提高钢的淬透性，改善热处理性能，强化基体、降低珠光体的形成温度，细化珠光体的片间距离，从而提高钢的强度和硬度，其对淬透性的增强作用高于Cr 、Mo、Ni。同时Mn 矿为我国富产，价廉易取。但Mn增大了弹簧钢的过热敏感性，晶粒易粗大，还易增大回火脆性，因此，Mn含量不宜过高。（4）铬 Cr是中强碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr能强烈地提高淬透性。钢中的Cr一部分形成碳化物，
