耐久道路試驗(yàn)中鋼支架斷裂原因分析

李迎超, 劉鵬鵬, 岳宗豪, 石海琳

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201201)

耐久道路試驗(yàn)中鋼支架斷裂原因分析

李迎超, 劉鵬鵬, 岳宗豪, 石海琳

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201201)

某汽車用鋼支架，在耐久道路試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂失效。通過化學(xué)成分分析、靜拉伸試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和斷口分析，對(duì)比了耐久道路試驗(yàn)的失效件和合格件，分析了該鋼支架的斷裂原因。結(jié)果表明：失效支架材料中的碳含量很低，材料的晶界強(qiáng)度較弱；支架斷裂部位發(fā)生了較大沖壓形變，導(dǎo)致應(yīng)力較大；二次加工脆性是支架沿晶疲勞斷裂的根本原因。

支架；耐久道路試驗(yàn)；疲勞斷裂；碳含量；二次加工脆性

某汽車用鋼支架設(shè)計(jì)材料為國(guó)內(nèi)常用的日本冷軋鋼板,牌號(hào)JIS G 3141-SPCC[1]，厚度2 mm。該支架在耐久道路試驗(yàn)過程中發(fā)生了斷裂失效，斷裂部位為90°折彎部位，如圖1(a)中圓圈所示。同樣的耐久道路試驗(yàn)中，另一支架100%通過了試驗(yàn)，如圖1(b)所示，左側(cè)為耐久試驗(yàn)合格件，右側(cè)為耐久試驗(yàn)失效件，可見失效件底部托板已完全斷裂。

筆者分別從失效件和合格件支架上取樣，進(jìn)行了化學(xué)成分分析、靜拉伸性能測(cè)試和金相檢驗(yàn)，以查找導(dǎo)致支架斷裂失效的根本原因，防止類似失效事件的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

使用碳硫分析儀及直讀光譜儀對(duì)支架進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。除JIS G 3141-2005要求的元素含量外，表1中也列出了其他主要影響鋼板性能的元素含量。由結(jié)果可見，失效件和合格件支架化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但碳含量有顯著區(qū)別，失效件的碳含量已屬于超低碳無間隙原子鋼(Interstitial Free Steel，簡(jiǎn)稱IF鋼)的范疇。

圖1 支架示意圖及實(shí)物外觀Fig.1 Schematic diagram and real appearance of the bracket:(a) schematic diagram of the mathematic model; (b) real appearance

表1 失效件和合格件的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 靜拉伸試驗(yàn)

失效件和合格件支架的靜拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。雖然兩者的抗拉強(qiáng)度都未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但只是略低于標(biāo)準(zhǔn)值，且合格件的抗拉強(qiáng)度更低，由此判斷材料強(qiáng)度偏低不是導(dǎo)致其斷裂失效的原因。失效件和合格件的斷后伸長(zhǎng)率都超過了50%，應(yīng)該不是普通的SPCC冷軋鋼板，而更接近具有超高塑性和深沖性能的IF鋼[2]。

表2 失效件和合格件的靜拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.3 金相檢驗(yàn)

從失效件上接近失效部位及合格件上同樣位置按相同方向取樣，研磨、拋光后使用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕。使用徠卡光學(xué)顯微鏡觀察對(duì)比了兩個(gè)試樣，其顯微組織形貌如圖2所示，均為鐵素體，未發(fā)現(xiàn)異常組織。

1.4 斷口分析

使用掃描電鏡觀察失效件支架的斷口，其宏觀和微觀形貌如圖3所示?？梢姅嗫谧笥覀?cè)均有斷裂起源點(diǎn)，屬多點(diǎn)起源的疲勞斷口。斷口最大的特點(diǎn)是以沿晶形貌為主，很多細(xì)小的疲勞輝紋尺寸不足1 μm，沿著晶面向前擴(kuò)展，如圓圈中所示形貌。

據(jù)此可以判斷，斷口屬于在小應(yīng)力下多點(diǎn)起源的高周疲勞斷口。斷口部位材料的晶間結(jié)合力極為薄弱，在極小的應(yīng)力下裂紋并未直接穿晶向前，而是選擇更曲折地沿晶界發(fā)展。

2 分析與討論

在車輛行駛過程中該支架主要承受上下振動(dòng)，電腦輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)應(yīng)力分析如圖4所示，可見斷裂部位屬于應(yīng)力最大區(qū)域(如圓圈所示)。

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效件材料與合格件的接近，主要區(qū)別在于合格件的碳含量比失效件的高出很多。而斷后伸長(zhǎng)率超過50%的鋼材會(huì)出現(xiàn)沿晶斷口，甚至可見細(xì)小的疲勞輝紋沿晶界擴(kuò)展，這樣脆弱的晶界結(jié)合力應(yīng)該與二次加工脆性有關(guān)。

由于超低碳的IF鋼晶界強(qiáng)度較弱，在沖壓成型后，鋼板具有一定的內(nèi)應(yīng)力，受外力作用容易產(chǎn)生晶間斷裂現(xiàn)象，即二次加工脆化。沖壓成型應(yīng)變?cè)酱?，?duì)應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力也越大，其脆化趨勢(shì)也越嚴(yán)重[3]。二次加工脆性一般與低溫也有關(guān)系，特別是磷元素易在晶界偏析，更容易造成低溫脆性的增加[4]。不過該支架材料的磷含量極低，且失效件的更低，因此該失效事件應(yīng)與磷元素關(guān)系不大。冬季道路試驗(yàn)的低溫，也增加了塑性變形位錯(cuò)開動(dòng)的阻力。IF鋼板進(jìn)行二次沖壓成型時(shí)，位錯(cuò)在成團(tuán)低能晶界處運(yùn)動(dòng)不受阻擋，而快速移動(dòng)到高能隨機(jī)晶界處時(shí)受到阻礙，位錯(cuò)大量在此塞積，引起沿晶斷裂，這是產(chǎn)生二次加工脆性的重要原因[5]。

圖4 CAE應(yīng)力分析結(jié)果Fig.4 CAE stress analysis result

圖5 失效件拉伸試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the tensile test specimen of the failure part

失效件的碳含量?jī)H為0.008%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，按上述機(jī)理極易發(fā)生二次加工脆斷。合格件支架的碳含量較高，二次加工脆化的傾向較低，因此在道路試驗(yàn)中未發(fā)生開裂。而對(duì)于未經(jīng)過沖壓變形的區(qū)域，比如從失效件上取樣的拉伸試樣，其室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率超過了50%，斷口也全部呈韌窩形貌，如圖5所示，進(jìn)一步說明失效是因?yàn)閿嗔巡课唤?jīng)過塑性加工后，在一定條件下發(fā)生的沿晶脆斷。

3 結(jié)論及建議

失效件的斷裂部位進(jìn)行了90°的沖壓折彎，發(fā)生了較大的塑性變形。在殘余內(nèi)應(yīng)力、位錯(cuò)塞積等因素的綜合作用下，支架因二次加工脆性而發(fā)生沿晶疲勞斷裂。

建議改用碳含量高于0.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的非IF鋼板[6]。支架零件的形狀并不復(fù)雜，不必使用高深沖性能的IF鋼板，按原設(shè)計(jì)使用普通的SPCC冷軋鋼板即可滿足成型要求。

由于IF鋼存在二次加工脆化的問題，因此在零件設(shè)計(jì)應(yīng)用中，如確實(shí)需要使用IF鋼，應(yīng)盡量降低沖壓變形部位的受載。

[1] JIS G 3141-2005 Cold-reduced carbon steel sheets and strips[S].

[2] 李迎超,王堂偉,葉又,等.乘用車金屬件斷裂失效原因分析的探索[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2012,48(增刊1):246-250.

[3] 丁富連,魏毅靜,陳卓人,等.汽車鋼板二次加工脆化試驗(yàn)及其在寶鋼的應(yīng)用[J].寶鋼技術(shù),2006(2):61-65.

[4] 初元璋,潘巖.IF鋼的二次加工脆性及其評(píng)定方法[J].特殊鋼,2000,30(1):36-39.

[5] 曹圣泉,張津徐,吳建生,等.IF鋼織構(gòu)與晶界特征分布的研究[J].金屬學(xué)報(bào),2004,40(10):1045-1050.

[6] GB/T 20564.3-2007 汽車用高強(qiáng)度冷連軋鋼板及鋼帶 第3部分:高強(qiáng)度無間隙原子鋼[S].

Analysis on Fracture Reasons of the Steel Bracket in the Durability Road Test

LI Yingchao, LIU Pengpeng, YUE Zonghao, SHI Hailin

(Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201, China)

A steel bracket used in a vehicle fractured during the durability road test. The failure part and the qualified part in the durability test were compared, and the fracture reasons were analyzed by chemical composition analysis, static tensile test, metallographic examination and fracture analysis. The results show that: the carbon content in the material of the failure bracket was extra low, and grain-boundary strength of the material was weak; the large pressing deformation happened to the fracture position of the bracket, which led to the large stress; secondary working embrittlement was the root reason of the intergranular fracture failure of the bracket.

bracket; durability road test; fatigue fracture; carbon content; secondary working embrittlement

質(zhì)量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705011

2016-08-26

李迎超(1975-),男,工程師,碩士,主要從事金屬零件設(shè)計(jì)和失效分析工作,yingchao_li@patac.com.cn

TG142.1

B

1001-4012(2017)05-0353-04