球頭銷斷裂失效分析

李 楠，施 睿，劉德林

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095;3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;4.中國北方車輛研究所，北京 100072)

0 引言

球頭銷是汽車轉(zhuǎn)向拉桿連接部分的一個重要零件，用于轉(zhuǎn)向機構(gòu)的鉸接，如汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)和懸架的鉸接，并要求表面耐磨，心部能承受一定的強度和韌性［1-2］。球頭銷屬一級安全件，對可靠性要求極高，目前對于此類零件的失效案例較為少見。球頭銷采用的材料為30CrMnSiA 鋼，是一種低合金高強度鋼，在淬火高溫回火狀態(tài)下具有較高的強度和足夠的韌性，適用于制造航空重要鍛件、機械加工零件等，已廣泛應(yīng)用于武器裝備、機械制造、航空及航天領(lǐng)域［3-6］。

特種車輛采用材質(zhì)為30CrMnSiA 鋼的球頭銷連接轉(zhuǎn)向節(jié)與下橫臂，在惡劣環(huán)境下試車，行駛25 230 km 后發(fā)現(xiàn)一轉(zhuǎn)向球頭銷出現(xiàn)開裂。該批次球頭銷在試車時多次出現(xiàn)開裂，且裂紋均在頸部沿圓周方向擴展，直至發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響了車輛的正常運行。因此，找到此球頭銷失效原因，防止此類事件再次發(fā)生，消除故障隱患，保證車輛及人員的安全，具有極其重要的意義。

該球頭銷熱處理制度為:1)棒料整體860～880 ℃淬火，油冷后550～600 ℃回火;2)機械加工后對球頭和桿部分別進行860～880 ℃高頻淬火，油冷后對球頭進行150～200 ℃回火，對桿部進行450～500 ℃回火。

本研究對失效球頭銷的外觀及斷口進行宏微觀觀察，并對材料金相組織、硬度、化學(xué)成分進行檢查和分析，確定球頭銷開裂的失效性質(zhì)，對其失效原因進行分析，并提出建議，為避免此類故障的再次發(fā)生提供借鑒作用。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

圖1 為失效球頭銷整體外觀，可見表面存在不同程度的磨損和銹蝕;肉眼觀察到頸部存在細小周向裂紋，為確定裂紋分布情況，對其進行滲透熒光檢測，檢測結(jié)果見圖2，可見裂紋沿頸部周向分布，存在2 處開裂，觀察標(biāo)記點正反面，裂紋呈2 段圓弧分布，未連接成一整圓。

圖1 球頭銷外觀Fig.1 Appearance of bulb pin

圖2 球頭銷滲透熒光檢測Fig.2 Fluorescent penetrating inspection of the cracks

1.2 斷口觀察

由于球頭銷裂紋較淺，人工無法直接打開裂紋，故先從中間無裂紋處將其切割成兩半，再沿裂紋打開斷口。將斷口用丙酮超聲清洗后，進行宏微觀觀察。

斷口宏觀形貌見圖3，裂紋起源于球頭銷外圓周兩側(cè)。根據(jù)斷口宏觀形貌特征，將其分為4個區(qū)域:從裂紋擴展寬度判斷2-1 區(qū)為源區(qū)Ⅰ，2-2 區(qū)為源區(qū)Ⅱ，這兩區(qū)域銹蝕較為嚴(yán)重;2-3 與2-4區(qū)為人工打斷區(qū)，斷面粗糙呈白亮金屬色。

圖3 球頭銷斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic feature of bulk pin fracture surface

對球頭銷斷口進行微觀觀察。斷口源區(qū)平坦，伴有一次疲勞臺階，Ⅰ、Ⅱ源區(qū)均有腐蝕現(xiàn)象(圖4)，2-1 裂紋擴展區(qū)存在疲勞弧線及疲勞條帶特征(圖5)，人工打開斷口為準(zhǔn)解理斷裂(圖6)。

1.3 球頭頂部痕跡分析

觀察球頭銷頂部，發(fā)現(xiàn)有明顯磨損痕跡，故對此磨損痕跡進行宏微觀觀察分析。球頭頂部宏觀照片見圖7，球頭表面較為粗糙，存在大片黃色與少量黑色物質(zhì)，摩擦磨損痕跡方向如箭頭所指，且與圓周兩端線源裂紋中心位置(右下角插圖中箭頭所指位置)基本相對應(yīng)，摩擦方向與裂紋擴展方向基本一致。微觀形貌見圖8 所示，為擠壓磨損形貌，存在凹坑，可見粘著磨損痕跡，發(fā)生了明顯材料轉(zhuǎn)移，相應(yīng)能譜測試結(jié)果見表1，黃色區(qū)粘著物質(zhì)成分主要為Cu，黑色區(qū)域除少量Cu 元素外，還含有大量C 元素。

1.4 金相組織及硬度檢查

對球頭銷桿部橫截面進行金相組織檢查和硬度檢查。宏觀形貌及檢查位置見圖9，圓形紅色標(biāo)記點(A、B、C)為金相檢查位置，黃色菱形標(biāo)記點(1～12)為硬度測試位置。桿部任意位置橫截面淬硬層厚度不均，經(jīng)測量，最厚處約為1.5 mm，最薄處約為0.95 mm(圖10)。

圖4 疲勞源區(qū)微觀形貌特征Fig.4 Micro-morphology of source zone

圖5 2-1 擴展區(qū)微觀形貌Fig.5 Microstructure of fatigue striations at the extension zone 2-1

圖11 為球頭銷桿部橫截面金相組織形貌。A 區(qū)為淬硬層中心，為鐵素體+回火馬氏體組織(圖11a);B 區(qū)為靠近邊緣基體，為回火索氏體(圖11b);C 區(qū)為基體中心，為鐵素體+珠光體(圖11c)?？梢娀w組織不均勻，疑為工件整體未淬透所造成。

對桿部淬硬層及基體進行硬度檢查。測得的維氏硬度根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算為洛氏硬度，結(jié)果見表2，可見淬硬層區(qū)域硬度值略高于技術(shù)要求，而基體硬度值略低于技術(shù)要求。

為觀察淬硬層整體分布情況，故將球頭銷沿軸心取縱截面進行磨拋腐蝕，宏觀照片見圖12，可見淬硬層分布不均勻，頸部無淬硬層出現(xiàn)。

圖6 人工打斷區(qū)微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of artificially-broken zone

圖7 球頭銷頂部磨損痕跡正視圖和后視圖(右下角)Fig.7 Macro-morphology of wear trace from the front view and back view (at the lower right corner)

圖8 球頭銷頂部磨損痕跡微觀觀察Fig.8 Micro-morphology of wear trace on the top of bulk pin

表1 球頭銷頂部磨損痕跡能譜測試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 EDS analysis results of the wear trace on the top of two bulk pins (mass fraction/%)

圖9 球頭銷桿部橫截面金相試樣Fig.9 Sample for microstructure and hardness inspection of bulk pin

1.5 化學(xué)成分分析

從球頭銷基體取粉末樣品進行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表3，各元素含量均符合技術(shù)要求。

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

失效球頭銷斷裂于球頭與桿部相連接的頸部，也即最小截面積處。斷口起源于圓周兩側(cè)，為線源，擴展區(qū)可見少量疲勞弧線與疲勞條帶特征，人工打斷斷口形貌為解理斷裂;這些特征說明球頭銷失效性質(zhì)均為雙向彎曲疲勞開裂［7］。

圖10 桿部橫截面淬硬層厚度檢查Fig.10 Thickness inspection of the hardened layers in the cross section of the pole

圖11 球頭銷桿部橫截面金相組織形貌Fig.11 Microstructure of the cross section of bulk pin

表2 硬度測試結(jié)果Table 2 Hardness testing results of different zones

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Chemical composition analysis results (mass fraction/%)

圖12 球頭銷縱截面觀察Fig.12 Morphology of the longitudinal section of the bulk pin

2.2 斷裂原因分析

球頭銷斷裂性質(zhì)為疲勞開裂失效，造成疲勞開裂的原因可從材質(zhì)與受力兩方面進行分析。

檢查結(jié)果表明，球頭銷材料化學(xué)成分合格?？v截面金相宏觀觀察顯示淬硬層分布不均勻，頸部基本無淬硬層存在，基體組織為回火索氏體，根據(jù)技術(shù)要求規(guī)定，整個桿部(包括頸部)錐面硬度均應(yīng)達到HRC 35～42，而檢測結(jié)果表明，頸部表層回火索氏體組織的硬度明顯低于技術(shù)要求硬度值，這將造成其力學(xué)性能下降，不符合理論設(shè)計強度。

淬硬層不均與熱處理工藝緊密相關(guān)，從不同位置金相組織分析，應(yīng)為熱處理操作不當(dāng)造成，如高頻淬火位置不準(zhǔn)確、不均勻，整體淬火未淬透等問題，對工件整體質(zhì)量均有一定影響［8-10］。建議嚴(yán)格控制熱處理工藝，避免以上現(xiàn)象發(fā)生。

球頭銷裝配及受力情況如圖13 所示，使用過程中球頭銷受力主要來自于y 方向上的沖擊工況作用，與圓周兩側(cè)線源中心位置一致，是發(fā)生雙向彎曲疲勞斷裂的主要應(yīng)力來源。圖7 中球頭頂部磨損方向基本平行于y 方向。理論上，球頭銷球頭部分在下橫臂圓槽中轉(zhuǎn)動，并有潤滑油起到潤滑作用，隨轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動時應(yīng)活動自如，在使用期間只會發(fā)生少量正常磨損，并不會存在材料轉(zhuǎn)移。但失效件球頭銷頂部存在大量磨損痕跡，且發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，能譜測試結(jié)果表明轉(zhuǎn)移物質(zhì)主要組分為Cu 元素，正是下橫臂圓槽與球頭相接觸部位材質(zhì)，說明球頭銷與下橫臂發(fā)生粘著磨損。當(dāng)摩擦副潤滑不良時，2 個相對滑動的表面在摩擦力的作用下，表層會發(fā)生塑性變形，使新鮮金屬表面裸露出來，由于分子力的作用使2 個表面發(fā)生焊合，外力需克服焊合點的結(jié)合力，才能繼續(xù)保持相對滑動［11］，這就造成球頭銷頂部存在較大阻力，使其頸部受力增大。球頭銷斷裂位置為球頭下頸部最小橫截面積處，此處為結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位，為疲勞裂紋起源提供了結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖13 球頭銷裝配及受力情況示意圖Fig.13 Schematic illustration of assembly and force of the bulk pin

綜上所述，球頭銷為雙向彎曲疲勞開裂。球頭銷頸部無淬硬層，使得其疲勞抗力不足，是導(dǎo)致其疲勞開裂的原因之一;球頭銷與下橫臂配合出現(xiàn)粘著磨損，球頭銷轉(zhuǎn)動不良，存在較大的阻力，使得球頭銷頸部受力增大，是導(dǎo)致其發(fā)生疲勞開裂的又一因素。建議對球頭銷熱處理工藝過程進行檢查，確保嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并對球頭銷與下橫臂圓槽配合情況進行進一步檢查，找出磨損原因，并避免此現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

1)送檢球頭銷開裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞開裂。

2)球頭銷頸部無淬硬層，使得其疲勞抗力不足，是導(dǎo)致其疲勞開裂的原因之一。

3)球頭銷與下橫臂配合出現(xiàn)粘著磨損，表明球頭銷轉(zhuǎn)動不良，存在較大的阻力，使得球頭銷頸部受力增大，是導(dǎo)致其發(fā)生疲勞開裂的又一因素。

4)建議嚴(yán)格控制球頭銷熱處理工藝過程，確保按工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并對球頭銷與下橫臂圓槽配合情況進行進一步檢查，避免磨損現(xiàn)象的發(fā)生。

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