汽車轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂分析

張 兵，劉昌奎，孔志強(qiáng)，姜 濤

(1．中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095;2．中國(guó)航發(fā)失效分析中心，北京100095;3．航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095;4．材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

0 引言

自20世紀(jì)40年代氫脆被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它一直是嚴(yán)重威脅產(chǎn)品使用安全的重大問(wèn)題。由于氫脆斷裂具有突發(fā)性、難發(fā)現(xiàn)、破壞性大等特點(diǎn)，因此，一旦零件發(fā)生氫脆斷裂，往往會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果［1-3］。鋼發(fā)生氫致脆性斷裂并不一定是因?yàn)闅浜扛?，還與材料強(qiáng)度、應(yīng)力集中和應(yīng)變速率等因素有關(guān)，國(guó)內(nèi)外已有一些研究，但并未引起人們的重視。

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向。作為連接汽車前梁和前輪的關(guān)鍵零件，轉(zhuǎn)向節(jié)直接影響汽車的行駛方向，若發(fā)生斷裂可能會(huì)引起嚴(yán)重的事故［4-5］。因此，對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂展開(kāi)失效分析，尋找失效原因，提出解決措施，具有重要意義。

汽車行駛1萬(wàn)多km后轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生斷裂。轉(zhuǎn)向節(jié)材質(zhì)為40Cr，調(diào)質(zhì)后機(jī)械加工而成，調(diào)質(zhì)后硬度要求為HRC 27～32，軸承安裝部位經(jīng)過(guò)中頻淬火，淬火深度要求為2～3 mm，淬火層硬度要求為HRC 45～52。本研究通過(guò)宏微觀觀察、金相組織檢查、硬度測(cè)試、化學(xué)成分分析、以及氫含量測(cè)定，確定轉(zhuǎn)向節(jié)的斷裂性質(zhì)和原因。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1．1 宏觀觀察

斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)宏觀形貌見(jiàn)圖1，斷裂位置位于軸承安裝部位邊緣。斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2，斷口從外表面2個(gè)區(qū)域起源，均呈線源開(kāi)裂特征，斷面可見(jiàn)疲勞弧線特征，斷口附近未見(jiàn)明顯塑性變形。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)宏觀形貌Fig．1 Macro appearance of the steering knuckle

圖2 斷口宏觀形貌Fig．2 Macro appearance of the fracture surface

1．2 微觀觀察

斷口經(jīng)超聲波清洗后在掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察。斷面1源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均呈沿晶開(kāi)裂特征，瞬斷區(qū)呈韌窩+少量解理斷裂特征(圖3)。斷面2也呈沿晶開(kāi)裂特征(圖4)。沿淬火部位的中間位置進(jìn)行人工打斷，人工斷口呈韌窩+少量解理斷裂特征。對(duì)斷面1進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。斷面1除源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)局部可見(jiàn)微量的S元素外，未見(jiàn)其他腐蝕性元素。

1．3 金相組織檢查

截取垂直于斷口源區(qū)1的軸向截面試樣并且從未淬火的安裝臂處截取截面試樣，磨拋腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。斷口源區(qū)1附近、淬火部位表層及心部組織均為馬氏體組織，未淬火的安裝臂組織為回火索氏體(圖6)。

圖3 斷面1微觀形貌Fig．3 Microappearances of fracture 1

圖4 斷面2微觀形貌Fig．4 Microappearance of fracture 2

1．4 硬度測(cè)試

截取垂直于斷口源區(qū)1的軸向截面試樣并且從未淬火的安裝臂處截取截面試樣，磨拋后進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。斷口源區(qū)附近以及淬火部分表層及心部硬度接近，約為HV 630～641，按GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》轉(zhuǎn)換成洛氏硬度，約為 HRC 56．5～57．0。

1．5 化學(xué)成分分析

從轉(zhuǎn)向節(jié)安裝臂處取化學(xué)試末進(jìn)行化學(xué)成分分析，各元素含量均符合技術(shù)要求。

表1 斷面1能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of energy spectrum analysis on fracture 1(mass fraction/%)

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)各部位金相組織Fig．5 Microstructures of the steering knuckle

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)顯微硬度測(cè)試結(jié)果Table 2 Micro hardness testing results of the steering knuckle HV

1．6 氫含量測(cè)試

從轉(zhuǎn)向節(jié)安裝臂處部位切取試樣進(jìn)行氫含量測(cè)定，氫含量?jī)H為2×10－6(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

3 分析與討論

轉(zhuǎn)向節(jié)斷口源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均呈沿晶開(kāi)裂特征，瞬斷區(qū)呈韌窩+少量解理斷裂特征。淬火部位的人工打開(kāi)斷口呈韌窩+少量解理斷裂特征。能譜分析顯示，斷口沿晶區(qū)除局部含有微量的S元素外，未見(jiàn)其他腐蝕性元素。由此可判斷，轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂性質(zhì)為氫致脆性斷裂。

轉(zhuǎn)向節(jié)在使用過(guò)程中受扭轉(zhuǎn)和振動(dòng)應(yīng)力作用，并且斷口可見(jiàn)明顯的疲勞弧線特征，說(shuō)明轉(zhuǎn)向節(jié)在斷裂過(guò)程中存在氫脆和疲勞的交織現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著新材料的應(yīng)用以及零件受力條件的變化，一些零件在斷裂過(guò)程中出現(xiàn)氫脆與其他失效模式(比如疲勞、應(yīng)力腐蝕等)的交織現(xiàn)象，其中氫在斷裂過(guò)程中起到了重要作用［6］。

鋼制零件發(fā)生氫脆的影響因素主要包括氫含量、材料強(qiáng)度、應(yīng)力集中和應(yīng)變速率，其中氫含量和材料強(qiáng)度是最關(guān)鍵的2個(gè)因素。在特定的工作應(yīng)力下，材料內(nèi)部氫含量越高，則越容易發(fā)生氫脆。此外，發(fā)生氫脆所需的臨界氫含量往往受到材料強(qiáng)度和組織狀態(tài)等因素的影響［7-9］。材料強(qiáng)度越高，則發(fā)生氫脆所需的氫含量越低。一般鋼中的氫含量在5×10－6以上時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生氫脆裂紋［10］;對(duì)高強(qiáng)度鋼，即使鋼中氫含量小于 1×10－6，都可能會(huì)發(fā)生氫脆開(kāi)裂。轉(zhuǎn)向節(jié)斷口附近測(cè)得的硬度約為 HV 615～640，根據(jù) GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算成抗拉強(qiáng)度σb≥280 MPa，屬于超高強(qiáng)度鋼，具有較高的氫脆敏感性。硬度測(cè)試結(jié)果顯示，斷口源區(qū)和淬火部位表層和心部的硬度接近，約為 HRC 56．5～57．0，未淬火的安裝臂處硬度約為HRC 28～29;金相檢查顯示，斷口源區(qū)附近、淬火部位表層及心部組織均為馬氏體組織，未淬火的安裝臂組織為回火索氏體。由此可判斷，淬火部位整個(gè)截面都已淬透，淬火層硬度和深度均超出技術(shù)要求(HRC 45～52，2～3 mm)。轉(zhuǎn)向節(jié)在其材質(zhì)氫含量?jī)H為2×10－6的條件下發(fā)生氫致脆性斷裂，其原因并非由于氫含量過(guò)高，而主要是由于淬火層硬度偏高和深度偏大，使氫脆敏感性增加，最終在軸承安裝部位的邊緣(應(yīng)力集中處)發(fā)生氫致脆性斷裂。

對(duì)航空工業(yè)失效分析中心近年來(lái)分析的鋼制零件氫脆失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，鋼制零件氫脆失效影響因素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖6［6］。材料強(qiáng)度偏高導(dǎo)致氫脆失效的案例約占35%，與強(qiáng)度相關(guān)的氫脆失效案例約占到60%。可見(jiàn)，材料強(qiáng)度偏高是導(dǎo)致鋼制零件氫脆失效的一個(gè)常見(jiàn)原因。而零件材料強(qiáng)度偏高的原因，少部分是因?yàn)镃含量偏高或熱處理工藝控制不當(dāng)而使強(qiáng)度超出技術(shù)要求，大部分是由于設(shè)計(jì)要求本身偏高。

圖6 鋼制零件氫脆失效影響因素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig．6 Statistical result of influencing factors of hydrogen embrittlement failure of steel parts

3 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂性質(zhì)為氫致脆性斷裂。

2)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂與氫含量關(guān)系不大，淬火層硬度偏高和深度偏大，致使氫脆敏感性增加，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生氫致脆性斷裂。

3)調(diào)整淬火工藝，控制淬火層硬度和深度，可以降低氫脆敏感性，從而有效預(yù)防此類故障的發(fā)生。