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提高悬架弹簧腐蚀疲劳性的多级喷丸技术

2018-02-01 10:27:03
作者:本网整理
来源:世界金属导报

汽车悬架弹簧是汽车悬挂系统的螺旋弹簧。一辆汽车中的悬架弹簧重量约为8-20kg,是汽车中比较重的部件。所以悬架弹簧的轻量化,对提高汽车燃油效率有很大作用。悬架弹簧用钢是对高碳低合金钢进行淬火-回火处理的、强度约为1800MPa的低温回火马氏体钢,是汽车中的高强度部件。

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    1 前言


    汽车悬架弹簧是汽车悬挂系统的螺旋弹簧。一辆汽车中的悬架弹簧重量约为8-20kg,是汽车中比较重的部件。所以悬架弹簧的轻量化,对提高汽车燃油效率有很大作用。悬架弹簧用钢是对高碳低合金钢进行淬火-回火处理的、强度约为1800MPa的低温回火马氏体钢,是汽车中的高强度部件。提高悬架弹簧的设计应力使悬簧细径化是使悬簧轻量化是有效方法。例如,以最大剪切应力1100MPa的设计应力为基准,最大剪切应力1200MPa时,悬架弹簧可减轻14%,最大剪切应力1300MPa时,悬架弹簧可减轻24%。悬架弹簧断裂主要是疲劳断裂。所以,为提高悬架弹簧设计应力,必须提高悬架弹簧钢的疲劳强度。提高悬架弹簧钢疲劳强度的代表性的工艺方法是喷丸处理。喷丸处理对悬架弹簧附加的残余压缩应力抵消了其承受的反复负荷,提高了疲劳强度。


    在汽车行驶过程中,悬架弹簧的涂装因与飞起的沙石接触以及悬架弹簧自身之间的接触而损坏,水分、融雪剂盐分从涂装损坏部位对悬架弹簧产生腐蚀,使其疲劳强度下降。这种腐蚀疲劳是影响悬架弹簧高强度化的主要因素。对北美行驶汽车的悬架弹簧进行调查的结果表明,汽车行驶过程中悬架弹簧产生的腐蚀坑的深度约为150μm,并且以腐蚀坑底部应力集中处为起点形成疲劳裂纹。对喷丸处理研究的结果表明,喷丸有可能抑制因表面缺陷引起的疲劳强度下降。这说明悬架弹簧疲劳强度、腐蚀坑、喷丸处理之间有某种关系。


    此外,一般来说,钢铁材料随着强度的升高,氢脆敏感性增强。腐蚀不仅使悬架弹簧表面形成腐蚀坑,而且腐蚀反应产生的氢会侵入钢中,导致悬架弹簧脆化断裂。已有许多研究报告报道了氢导致钢材疲劳特性下降的情况。


    本文研究了腐蚀坑、喷丸处理残余应力、氢等因素对高强度悬架弹簧腐蚀疲劳特性的影响,现将研究结果做简要介绍。


    2 多级喷丸处理和人造腐蚀坑对疲劳特性的影响


    试验用钢是通常使用的悬架弹簧钢SAE9254(Fe-0.55C-1.5Si-0.7Cr,mass%)。在实验室将试验钢进行淬火-回火处理,使其抗拉强度达到约1800MPa,作为试验钢料。


    用试验钢料制作转动疲劳试样。对转动疲劳试样进行表1所示条件的两级、三次喷丸处理。试样深度方向上残余应力分布如图1。从图中可知,二次喷丸处理变为三次喷丸处理时,残余压缩应力区的深度增加。


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    为了模拟腐蚀坑,用电火花加工法在喷丸处理后的试样平滑部位中央加工出圆柱形的人造腐蚀坑。圆柱直径1mm,深度分别是50μm、250μm、500μm。多级喷丸处理和人造腐蚀坑对疲劳极限的影响如图2所示。在未喷丸状态下,50μm人造腐蚀坑试样的疲劳极限显著小于无人造腐蚀坑的试样。而在二次喷丸状态下,50μm人造腐蚀坑试样的疲劳极限仅有很小的降低。可以看出,二次喷丸处理抑制了50μm深腐蚀坑引起的疲劳极限下降。二次喷丸处理的250μm人造腐蚀坑试样的疲劳极限显著小于无人造腐蚀坑试样。但三次喷丸处理的250μm人造腐蚀坑试样的疲劳极限仅有很小的降低。也就是说,实施三次喷丸处理可以抑制更深腐蚀坑引起的疲劳极限下降。500μm深人造腐蚀坑试样,不论是否进行喷丸处理,疲劳极限都发生很大下降。根据上述试验结果可知,疲劳极限、人造腐蚀坑深度、喷丸处理类别之间存在一定的关系。


    为了考察疲劳极限与作用于人造腐蚀坑底部残余应力之间的关系,根据图1,对作用于人造腐蚀坑底部残余应力进行估算。疲劳极限与作用于人造腐蚀坑底部残余应力之间的对应关系如图3。从图中可知,疲劳极限与残余应力之间有很好的对应关系。以上结果表明,将喷丸处理由两级改为三级,可以将大的残余压缩应力附加到更深的部位,因此在悬架弹簧产生深腐蚀坑的情况下,也能抑制悬簧疲劳强度的下降。


    3 氢对多级喷丸处理材疲劳特性的影响


    对多级喷丸处理的带有人造腐蚀坑的转动弯曲疲劳试样进行电解充氢,使扩散性氢储藏在试样内。为了防止氢的散逸,在试样表面进行镀层。对上述试样进行转动弯曲疲劳试验。二次喷丸处理和扩散性氢含量对疲劳极限的影响如下:无人造腐蚀坑试样的疲劳极限,随扩散性氢含量的增加有若干下降;二次喷丸处理的50μm人造腐蚀坑试样的疲劳极限,随扩散性氢含量的增加也有若干下降,但下降量小于喷丸处理提高人造腐蚀坑疲劳极限的量,也就是说,对于含有扩散性氢的钢,残余应力的导入对抑制腐蚀坑引起的疲劳强度下降也有效果;500μm人造腐蚀坑试样的疲劳极限随扩散性氢含量的增加变化不大,因此,喷丸和扩散性氢含量的影响可忽略不计。


    多级喷丸处理试样的疲劳极限与人造腐蚀坑深度的关系如图4。可以看出,对充氢试样进行三次喷丸处理也可以抑制250μm人造腐蚀坑引起的疲劳极限下降。因此可知,对于含有扩散性氢的悬架弹簧钢来说,将大的残余压缩应力附加到钢的深层,可以有效地抑制产生深腐蚀坑的悬簧钢疲劳极限的下降。


    4 结语


    喷丸处理不仅可以提高汽车悬簧的疲劳强度,而且喷丸处理的多级化将大的残余压缩应力附加到悬架弹簧的深层,提高了悬架弹簧的腐蚀疲劳特性。此外,虽然扩散性氢引起的疲劳极限下降量小于腐蚀坑引起的疲劳极限下降量,但随着对悬架弹簧高性能化要求的不断提高,也必须采取相应的对策抑制扩散性氢的影响。

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 汽车, 悬架弹簧, 腐蚀, 喷丸技术

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