汽車取力器撥叉斷裂失效分析

張曉菊

[摘 要]某公司材料牌號(hào)為8620H的汽車取力器撥叉在執(zhí)行效率試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂。采用化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、顯微鏡觀察及能譜分析等手段對(duì)斷裂撥叉進(jìn)行了失效分析。結(jié)果表明：撥叉的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合技術(shù)要求；撥叉斷裂形式為疲勞斷裂，主要由夾雜、夾渣、孔洞和粗大枝晶等鑄造缺陷造成。

[關(guān)鍵詞]失效分析；撥叉；硫化物夾雜；疲勞裂紋

中圖分類號(hào)：TGl42.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）13-0328-01

1. 情況簡(jiǎn)介

某公司材料牌號(hào)為8620H的汽車取力器撥叉在執(zhí)行效率試驗(yàn)時(shí)發(fā)生非正常斷裂，要求分析其斷裂原因。為此，采用肉眼宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、顯微鏡觀察和能譜分析等手段對(duì)斷裂撥叉進(jìn)行了失效分析。

該撥叉依據(jù)GB/T11352-2009《一般工程用鑄造碳鋼件》標(biāo)準(zhǔn)制造，材料牌號(hào)為8620H。工藝流程為：鑄造-機(jī)加工-碳氮共滲-回火。技術(shù)要求為表面硬度：89-92HR15N；有效硬化層深：0.51～0.76mm。

2. 檢驗(yàn)內(nèi)容及分析

2.1斷口宏觀形貌

斷裂撥叉的宏觀形貌如圖1（a）、（b）所示，其中一個(gè)叉腳斷裂，而且兩叉腳表面均發(fā)生嚴(yán)重磨損，這說(shuō)明該撥叉是使用一段時(shí)間后才發(fā)生斷裂。斷口形貌如圖1（c）所示，斷口可以清楚地分辨出裂紋源、貝紋線的擴(kuò)展區(qū)、最終木紋狀瞬斷區(qū)等疲勞斷裂痕跡，為典型的疲勞斷口[1]。

2.2 化學(xué)成分分析

在失效撥叉上取樣，用光電直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)檢，結(jié)果見表1。各元素成分符合SAEJ1268中8620H的成分要求，說(shuō)明該撥叉材質(zhì)符合要求。

2.3 硬度和有效硬化層深

對(duì)撥叉未磨損部位進(jìn)行表面硬度測(cè)試，結(jié)果為90HR15N，符合技術(shù)要求。根據(jù)TES-003《熱處理零件的金相要求》的規(guī)定，取表面至513HV處的垂直距離作為有效硬化層深度。從距滲層表面0.08mm起，每隔0.1mm打一顯微硬度點(diǎn)，連續(xù)打9點(diǎn)，有效硬化層深為0.68mm，且整個(gè)滲層的硬度分布均勻，過(guò)度平緩，符合碳氮共滲工藝的技術(shù)要求。

2.4 金相分析

在撥叉斷裂面進(jìn)行金相分析，磨拋后在4%硝酸酒精溶液中腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察，邊部為組織為針狀回火馬氏體加殘余奧氏體，心部組織為板條狀回火馬氏體，未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松或氣孔等鑄造缺陷，也未發(fā)現(xiàn)明顯的組織偏析現(xiàn)象，符合碳氮共滲淬回火的工藝要求。

2.5 斷口微觀形貌

使用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察，如圖2（a）所示，疲勞源為準(zhǔn)解理斷口形貌；放大后發(fā)現(xiàn)一些不規(guī)則形狀的大顆粒夾雜物和大量的沿晶裂紋，見圖2（b）；對(duì)圖2（b）中譜圖1所示的夾雜物大顆粒使用能譜分析，為含Si、0、Al、Mg、Fe、Mn和Ca的夾雜物，這些非金屬大顆?？赡苁窃跐沧⑶?，液態(tài)金屬中的熔渣未除盡，隨同液態(tài)金屬進(jìn)入型腔，或鐵水在輸送、轉(zhuǎn)包和澆注過(guò)程中不斷翻滾，飛濺，使一些MgO、FeO、MnS或MnO等卷入鑄件內(nèi)部，形成不規(guī)則的渣或非金屬夾雜[4]。

另外，從圖2（a）中還可以看到在裂紋擴(kuò)展區(qū)有大量的孔隙，該區(qū)域放大后如圖4（c）和（d）所示，可看到粗大的枝晶和大量的夾渣，并且呈局部聚集態(tài)分布。這是由于零件在鑄造過(guò)程中氣體常吸附在夾渣中，氣體在析出時(shí)，分布于晶界或粗大的枝晶之間。由于結(jié)晶的骨架已形成，細(xì)小氣孔不易聚集長(zhǎng)大，且補(bǔ)縮通道已被堵塞，從而形成孔隙。圖4（d）中的夾渣經(jīng)能譜分析，結(jié)果表明，這些夾渣含有Si、S、0、Al、Fe、Mg、Ca和Mn等元素。眾所周知，S、Ca和Mn等元素能引起晶界脆化，雖然撥叉材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)，但在微觀區(qū)域這些元素有可能會(huì)發(fā)生偏聚，而引起局部晶界脆化，脆化的晶界其效果相當(dāng)于潛在的裂紋，可以成為早期的裂紋源。另外，這些夾雜物和氣孔的存在，嚴(yán)重的割裂基體金屬，降低材料的強(qiáng)度和韌性，減少了鑄件的有效截面積，而且在使用中往往在這些缺陷周圍造成很大的應(yīng)力集中，在外應(yīng)力的作用下形成裂紋源通道，嚴(yán)重降低零件的使用壽命。

3 分析及結(jié)論

（1）撥叉為疲勞斷裂，防止縮孔和夾渣等鑄造缺陷：①盡量提高鐵水的出爐溫度.適當(dāng)靜置.以利于非金屬夾雜物的上??；②盡量提高澆注鐵液的純凈度，鐵液表面應(yīng)放覆蓋劑。防止鐵液氧化，優(yōu)化設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)

（2）根據(jù)斷口形貌及零件的使用磨損狀態(tài)，撥叉是使用一段時(shí)間后發(fā)生疲勞斷裂。根據(jù)斷口形貌及零件的使用磨損狀態(tài)，撥叉是使用一段時(shí)間后發(fā)生疲勞斷裂。由于斷口存在大量的夾雜、夾渣、孔洞和粗大枝晶等鑄造缺陷，降低了材料的強(qiáng)度，減少了撥叉的有效截面積，在使用中發(fā)生非正常磨損和斷裂。

參考文獻(xiàn)

[1] 張棟，鐘培道，陶春虎.失效分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.