一種重卡管狀橫梁斷裂的失效分析及改善方法

謝劍波，魏忠宣，萬 飛，張 敏，王棋龍，王 真，張新偉

(上汽依維柯紅巖商用車有限公司，重慶 401122)

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的許多重型卡車還是沿用斯太爾的技術(shù)，發(fā)動機(jī)前懸置依然采用管狀橫梁的方式。隨著重卡承載能力的提高，復(fù)雜路面對車架的扭轉(zhuǎn)逐漸增加，管狀橫梁出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象頻發(fā)。許多技術(shù)人員都致力于如何改善與加固現(xiàn)有的管狀橫梁，而沒有從根源上找到管狀橫梁斷裂的真正原因。

1 影響管梁斷裂的原因

1.1 循環(huán)載荷下的高周疲勞失效

經(jīng)過分析，斷裂原因主要是循環(huán)載荷下的高周疲勞失效。

該管狀橫梁支耳與發(fā)動機(jī)本體連接，承受通過輪胎從地面反饋回來的激蕩，隨之承受的載荷是時間和地形的變化相互共同作用的。這里談的是該管狀橫梁支耳承受發(fā)動機(jī)本體振源，而遭受高周疲勞失效的過程。當(dāng)?shù)孛嫫椒€(wěn)時，發(fā)動機(jī)工況穩(wěn)定，載荷以發(fā)動機(jī)1 個工作循環(huán)為1 個周期高頻地變化，該管狀橫梁支耳的應(yīng)力也周期性變化(“交變”)，隨著地面地形的不同，發(fā)動機(jī)工況也對應(yīng)不同的應(yīng)力循環(huán)。

在高頻變化的應(yīng)力作用下，管狀橫梁及支耳的焊接部位可能發(fā)生“高頻疲勞”失效，其特點(diǎn)是:①零件的應(yīng)力水平并不高，一般都低于材料的屈服極限;②發(fā)生疲勞斷裂之前經(jīng)歷過的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)高達(dá)幾十萬～幾百萬次;③起因是零件的某一應(yīng)力集中部位有些最弱的晶粒抵抗不住交變應(yīng)力而形成微裂裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展，到一定程度后突然斷裂;④斷口明顯地分成光滑的裂紋擴(kuò)展區(qū)和粗糙的瞬時斷裂區(qū)。

1.2 材料的屈服應(yīng)力不能滿足實際使用要求

該管狀橫梁的材料為Q235，屈服強(qiáng)度不低于235 MPa，抗拉強(qiáng)度(σb)為375 ～500 MPa，彈性模量(E)為200 ～210 GPa，泊松比(ν)為0.25 ～0.33，伸長率(δ)為5%。

1.3 焊接工藝對結(jié)構(gòu)的影響

通過對Q235 鋼板及焊接接頭的金相組織分析可以看出以下幾點(diǎn)。

1)焊縫金屬的顯微組織為柱狀晶分布，晶界處為鐵素體，晶內(nèi)為素氏體和針、塊狀分布的鐵素體，冷卻時由于向外散熱，使焊縫的熔融金屬沿?zé)釘U(kuò)散方向結(jié)晶而獲得柱狀晶，此時先析的鐵素體沿柱狀晶界析出，由于溫度較高，且冷速又稍快，因此組織呈過熱特征，但隨后的冷卻過程中，奧氏體因為冷卻度較大，而轉(zhuǎn)變?yōu)樗厥象w組織。

2)過熱區(qū)的顯微組織為針狀或塊狀分布的鐵素體和索氏體，此處晶粒粗大，呈魏氏組織，這是由于該區(qū)加熱溫度高，奧化體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使沖擊韌性降低。

3)重結(jié)晶區(qū)，組織為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，由于加熱溫度超過了AC3，所以鐵素體和珠光體已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為奧化體，又由于加熱溫度較低(一般低于1 100 ℃)，奧氏體晶粒未顯著長大，因此在空氣中冷卻后會得到均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體。

4)母材的顯微結(jié)構(gòu)組織，鐵素體和珠光體呈帶狀。從金相組織可以看出，過熱區(qū)形成了魏氏組織，容易產(chǎn)生脆化，構(gòu)成了接頭的薄弱環(huán)節(jié)，這時需要以小線能量焊接，在過熱區(qū)獲取板條馬氏體，韌性會大大改善。

5)如果該焊接區(qū)域加熱溫度高，奧化體晶粒會顯著長大，則冷卻后會得到粗大的過熱組織(魏氏組織)，使沖擊韌性降低。

2 分析與計算

根據(jù)前面對管狀橫梁斷裂的原因分析，來判斷造成斷裂的主要原因和改善方法。

2.1 循環(huán)載荷下的高周疲勞失效

在高頻變化的應(yīng)力作用下，管狀橫梁及支耳的焊接部位可能發(fā)生“高頻疲勞”失效，其特點(diǎn)如下。

1)零件的應(yīng)力水平并不高，一般都低于材料的屈服極限;

2)發(fā)生疲勞斷裂之前經(jīng)歷過的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)高達(dá)幾十萬～幾百萬次;

3)起因是零件的某一應(yīng)力集中部位有些最弱的晶粒抵抗不住交變應(yīng)力而形成微裂裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展，到一定程度后突然斷裂;

4)斷口明顯地分成光滑的裂紋擴(kuò)展區(qū)和粗糙的瞬時斷裂區(qū)。

下面分析標(biāo)準(zhǔn)材料試件的疲勞極限。其應(yīng)力循環(huán)可用以下參數(shù)表征:最大應(yīng)力σmax，最小應(yīng)力σ，應(yīng)力幅σ 和應(yīng)力比(又稱“循環(huán)特征系數(shù)”)r。他們之間的關(guān)系是:

對于1 組標(biāo)準(zhǔn)的材料試件，以一定的應(yīng)力比r 和不同的σa進(jìn)行試驗，可以得出有規(guī)律的“疲勞曲線”。對于黑色金屬來說，發(fā)生“疲勞極限”時的循環(huán)基數(shù)一般要大于107。

但實際零件的疲勞極限要低于材料標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限。這是由于在零件中存在一些應(yīng)力集中處，例如圓角、鉆孔、焊接應(yīng)力等，使零件的截面突然變化而出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易形成疲勞裂紋源。零件的尺寸一般大于材料標(biāo)準(zhǔn)試樣，而尺寸大的零件在表面拉應(yīng)力相同的情況下，從表層到中心的應(yīng)力梯度小，處于高應(yīng)力區(qū)的體積大，出現(xiàn)微裂紋的概率也要大些。零件表面狀態(tài)不同于標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣，可能有加工或者焊接之后的損傷，可能暴露于腐蝕的介質(zhì)，因此出現(xiàn)疲勞裂紋的幾率很大。

管狀橫梁總成在整車運(yùn)行的過程中并不是只在一種交變載荷下工作，而是交替地承受多種循環(huán)載荷的作用，因此出現(xiàn)疲勞裂紋的幾率更大。

前面所述的安全判據(jù)的前提是假設(shè)零件不存在任何缺陷，而實際零件在毛坯、鑄鍛、熱處理、機(jī)械加工乃至運(yùn)輸裝配過程中都不可避免會帶來一些表面或內(nèi)部的缺陷(如氣孔、夾渣、裂紋、刀痕、碰痕等)。在外力作用下，從這些缺陷處或者應(yīng)力集中處開始形成微裂紋。裂紋在外力繼續(xù)作用下有可能擴(kuò)展，直至斷裂。具有裂紋的零件往往在其宏觀應(yīng)力還小于屈服極限時會突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。高強(qiáng)度材料制件和低工作溫度下的零件更容易發(fā)生這種低應(yīng)力脆斷。厚截面和高應(yīng)變速率也會助長低應(yīng)力脆斷傾向。

2.2 材料的屈服應(yīng)力不能滿足實際使用要求

其模型見圖1。

圖1 模型

根據(jù)實物實際斷裂的地方(見圖2)，計算最大應(yīng)力。

圖2 實物實際斷裂處

車架整體扭轉(zhuǎn)3°時的最大應(yīng)力基本在200 MPa 左右，見圖3。

圖3 車架整體扭轉(zhuǎn)3°時的最大應(yīng)力

車架整體扭轉(zhuǎn)5°時的最大應(yīng)力基本在300 MPa 左右，見圖4。

圖4 車架整體扭轉(zhuǎn)5°時的最大應(yīng)力

根據(jù)應(yīng)力分析可以看出，當(dāng)車輛在大扭曲路面行駛時，管狀橫梁處受到的應(yīng)力最大，用Q235 的材料不能滿足使用要求，容易引起疲勞破壞。

2.3 焊接工藝對結(jié)構(gòu)的影響

應(yīng)力腐蝕只有在特定的環(huán)境下才能發(fā)生，他具有以下一些特點(diǎn):①只有存在應(yīng)力(特別是拉應(yīng)力)時，才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。這種應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，或是焊接和加T 過程中引入的殘余應(yīng)力，也可以是腐蝕產(chǎn)物的楔入作用而引起的擴(kuò)張應(yīng)力。②應(yīng)力腐蝕斷裂是一種與時間有關(guān)的滯后破壞，這和氫滯后開裂完全類似。③應(yīng)力腐蝕開裂是一種低應(yīng)力脆性斷裂。

該管狀梁一般出現(xiàn)斷裂的部位在發(fā)動機(jī)著力點(diǎn)上，焊接直板時熱影響區(qū)域較大，使局部材質(zhì)的應(yīng)力發(fā)生變化，因此才出現(xiàn)了軸向方向的垂直斷裂。

發(fā)生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構(gòu)造縫隙，或相當(dāng)于構(gòu)造縫隙的未透焊縫。構(gòu)造焊縫相當(dāng)于狹長的裂紋，造成高度的應(yīng)力集中，焊縫則造成高額殘余拉應(yīng)力并使近旁金屬因熱塑變形而時效硬化，增大脆性。低溫地區(qū)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)部應(yīng)該保證焊縫能夠焊透。

3 結(jié)論

1)應(yīng)對循環(huán)載荷下的高周疲勞失效。根據(jù)隔振理論的知識，只有當(dāng)系統(tǒng)固有頻率小于激勵頻率的1/2 時，才有較好的隔振效果，在多項隔振中同樣要遵循這一原則。而對于動力總成懸置系統(tǒng)，垂向振動主要是受到2 階往復(fù)慣性力的作用，繞扭矩軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動主要是受到激振力矩的作用，故在進(jìn)行發(fā)動機(jī)懸置設(shè)計時，應(yīng)將懸置系統(tǒng)這2 個方向的固有頻率控制在17 Hz 以下。

2)應(yīng)對材料的屈服應(yīng)力。需要根據(jù)CAE 分析結(jié)論選擇合適的材料，安全系數(shù)=材料的屈服強(qiáng)度/分析最大值，推薦在將來的設(shè)計中應(yīng)該≥2。

3)應(yīng)對焊接工藝對結(jié)構(gòu)的影響。焊接后熱處理可以有效降低焊接殘余應(yīng)力，并且熱處理溫度越高，殘余應(yīng)力消除效果越好。焊后熱處理還可有效提高焊接鋼管的抗應(yīng)力腐蝕能力，后熱處理的溫度越高，抗應(yīng)力腐蝕能力提高越顯著。

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