1 前言

    汽車懸架彈簧是汽車懸掛系統的螺旋彈簧。一輛汽車中的懸架彈簧重量約為8-20kg，是汽車中比較重的部件。所以懸架彈簧的輕量化，對提高汽車燃油效率有很大作用。懸架彈簧用鋼是對高碳低合金鋼進行淬火-回火處理的、強度約為1800MPa的低溫回火馬氏體鋼，是汽車中的高強度部件。提高懸架彈簧的設計應力使懸簧細徑化是使懸簧輕量化是有效方法。例如，以最大剪切應力1100MPa的設計應力為基準，最大剪切應力1200MPa時，懸架彈簧可減輕14%，最大剪切應力1300MPa時，懸架彈簧可減輕24%。懸架彈簧斷裂主要是疲勞斷裂。所以，為提高懸架彈簧設計應力，必須提高懸架彈簧鋼的疲勞強度。提高懸架彈簧鋼疲勞強度的代表性的工藝方法是噴丸處理。噴丸處理對懸架彈簧附加的殘余壓縮應力抵消了其承受的反復負荷，提高了疲勞強度。

    在汽車行駛過程中，懸架彈簧的涂裝因與飛起的沙石接觸以及懸架彈簧自身之間的接觸而損壞，水分、融雪劑鹽分從涂裝損壞部位對懸架彈簧產生腐蝕，使其疲勞強度下降。這種腐蝕疲勞是影響懸架彈簧高強度化的主要因素。對北美行駛汽車的懸架彈簧進行調查的結果表明，汽車行駛過程中懸架彈簧產生的腐蝕坑的深度約為150μm，并且以腐蝕坑底部應力集中處為起點形成疲勞裂紋。對噴丸處理研究的結果表明，噴丸有可能抑制因表面缺陷引起的疲勞強度下降。這說明懸架彈簧疲勞強度、腐蝕坑、噴丸處理之間有某種關系。

    此外，一般來說，鋼鐵材料隨著強度的升高，氫脆敏感性增強。腐蝕不僅使懸架彈簧表面形成腐蝕坑，而且腐蝕反應產生的氫會侵入鋼中，導致懸架彈簧脆化斷裂。已有許多研究報告報道了氫導致鋼材疲勞特性下降的情況。

    本文研究了腐蝕坑、噴丸處理殘余應力、氫等因素對高強度懸架彈簧腐蝕疲勞特性的影響，現將研究結果做簡要介紹。

    2 多級噴丸處理和人造腐蝕坑對疲勞特性的影響

    試驗用鋼是通常使用的懸架彈簧鋼SAE9254（Fe-0.55C-1.5Si-0.7Cr，mass%）。在實驗室將試驗鋼進行淬火-回火處理，使其抗拉強度達到約1800MPa，作為試驗鋼料。

    用試驗鋼料制作轉動疲勞試樣。對轉動疲勞試樣進行表1所示條件的兩級、三次噴丸處理。試樣深度方向上殘余應力分布如圖1。從圖中可知，二次噴丸處理變為三次噴丸處理時，殘余壓縮應力區的深度增加。

    為了模擬腐蝕坑，用電火花加工法在噴丸處理后的試樣平滑部位中央加工出圓柱形的人造腐蝕坑。圓柱直徑1mm，深度分別是50μm、250μm、500μm。多級噴丸處理和人造腐蝕坑對疲勞極限的影響如圖2所示。在未噴丸狀態下，50μm人造腐蝕坑試樣的疲勞極限顯著小于無人造腐蝕坑的試樣。而在二次噴丸狀態下，50μm人造腐蝕坑試樣的疲勞極限僅有很小的降低。可以看出，二次噴丸處理抑制了50μm深腐蝕坑引起的疲勞極限下降。二次噴丸處理的250μm人造腐蝕坑試樣的疲勞極限顯著小于無人造腐蝕坑試樣。但三次噴丸處理的250μm人造腐蝕坑試樣的疲勞極限僅有很小的降低。也就是說，實施三次噴丸處理可以抑制更深腐蝕坑引起的疲勞極限下降。500μm深人造腐蝕坑試樣，不論是否進行噴丸處理，疲勞極限都發生很大下降。根據上述試驗結果可知，疲勞極限、人造腐蝕坑深度、噴丸處理類別之間存在一定的關系。

    為了考察疲勞極限與作用于人造腐蝕坑底部殘余應力之間的關系，根據圖1，對作用于人造腐蝕坑底部殘余應力進行估算。疲勞極限與作用于人造腐蝕坑底部殘余應力之間的對應關系如圖3。從圖中可知，疲勞極限與殘余應力之間有很好的對應關系。以上結果表明，將噴丸處理由兩級改為三級，可以將大的殘余壓縮應力附加到更深的部位，因此在懸架彈簧產生深腐蝕坑的情況下，也能抑制懸簧疲勞強度的下降。

    3 氫對多級噴丸處理材疲勞特性的影響

    對多級噴丸處理的帶有人造腐蝕坑的轉動彎曲疲勞試樣進行電解充氫，使擴散性氫儲藏在試樣內。為了防止氫的散逸，在試樣表面進行鍍層。對上述試樣進行轉動彎曲疲勞試驗。二次噴丸處理和擴散性氫含量對疲勞極限的影響如下：無人造腐蝕坑試樣的疲勞極限，隨擴散性氫含量的增加有若干下降；二次噴丸處理的50μm人造腐蝕坑試樣的疲勞極限，隨擴散性氫含量的增加也有若干下降，但下降量小于噴丸處理提高人造腐蝕坑疲勞極限的量，也就是說，對于含有擴散性氫的鋼，殘余應力的導入對抑制腐蝕坑引起的疲勞強度下降也有效果；500μm人造腐蝕坑試樣的疲勞極限隨擴散性氫含量的增加變化不大，因此，噴丸和擴散性氫含量的影響可忽略不計。

    多級噴丸處理試樣的疲勞極限與人造腐蝕坑深度的關系如圖4。可以看出，對充氫試樣進行三次噴丸處理也可以抑制250μm人造腐蝕坑引起的疲勞極限下降。因此可知，對于含有擴散性氫的懸架彈簧鋼來說，將大的殘余壓縮應力附加到鋼的深層，可以有效地抑制產生深腐蝕坑的懸簧鋼疲勞極限的下降。

    4 結語

    噴丸處理不僅可以提高汽車懸簧的疲勞強度，而且噴丸處理的多級化將大的殘余壓縮應力附加到懸架彈簧的深層，提高了懸架彈簧的腐蝕疲勞特性。此外，雖然擴散性氫引起的疲勞極限下降量小于腐蝕坑引起的疲勞極限下降量，但隨著對懸架彈簧高性能化要求的不斷提高，也必須采取相應的對策抑制擴散性氫的影響。

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責任編輯：王元

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