某車型底盤緊固螺柱零件斷裂失效分析

崔恩有，孟憲明，吳 昊

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 寧波汽車零部件檢測(cè)中心，浙江 寧波 315000；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300)

汽車底盤系統(tǒng)構(gòu)件是汽車上非常重要的結(jié)構(gòu)件，汽車的操穩(wěn)性，舒適性以及可操作性的好壞與底盤系統(tǒng)構(gòu)件密切相關(guān)。汽車底盤構(gòu)件之間是通過(guò)橡膠襯套或者螺栓緊密地聯(lián)接在一起，這些聯(lián)接方式的可靠性對(duì)于車身底盤的性能起到了至關(guān)重要的作用。汽車在日常使用中會(huì)在各種工況下行駛，這些復(fù)雜的工況會(huì)導(dǎo)致底盤構(gòu)件及其之間的聯(lián)接方式的失效。通過(guò)科學(xué)的研究方法找到底盤系統(tǒng)構(gòu)件及其聯(lián)接方式的失效原因，對(duì)后期車身底盤開(kāi)發(fā)及其聯(lián)接方式提供優(yōu)化建議起著至關(guān)重要的作用，正確的失效分析將有利于新型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與更好的應(yīng)用[1-5]。本文采用先進(jìn)的SEM、OM和洛氏硬度等實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)合失效分析方法對(duì)某車型底盤聯(lián)接件的斷裂失效進(jìn)行了分析，得到了其斷裂失效的原因，為該車型后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 失效情況

某車型的底盤緊固螺栓在使用工況下出現(xiàn)了裂紋，并產(chǎn)生斷裂，斷裂位置及宏觀形貌如圖1所示。由圖1可以看出，螺柱樣件已斷裂，且斷口存在銹蝕。

圖1 螺柱實(shí)物宏觀照片

螺柱高約20～25 mm，螺帽部分直徑約為18 mm，螺母為12 mm，螺柱表面有紅褐色銹和灰白色覆蓋物?；谝陨虾暧^斷裂特性，對(duì)樣件進(jìn)行斷口分析、金相分析和硬度檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 原始斷口掃描電鏡分析

分別對(duì)圖1中螺柱的A區(qū)和B區(qū)開(kāi)展掃描電鏡分析，其中A區(qū)形貌如圖2所示。由圖2a可知，A區(qū)表面覆蓋了氧化物，難以有效分辨斷口形貌特征。對(duì)圖2a中的線框區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步放大，形貌如圖2b所示。由圖2可知，在斷口邊緣的螺紋區(qū)域還存在缺陷損傷和二次裂紋。

圖2 螺柱A區(qū)形貌

同樣，圖1中的B區(qū)表面也覆蓋了氧化物，難以有效分辨斷口形貌特征。為了消除表面覆蓋物的影響，采用低濃度稀鹽酸清洗斷口后觀察斷口，其100×掃描照片如圖3所示。

圖3 螺柱B區(qū)掃描照片(100×)

2.2 原始斷口掃描電鏡及能譜分析

由圖1所示的螺柱斷口宏觀照片可知，盡管表面還殘留一部分銹跡，但表面存在疲勞斷口的貝紋線，斷口左部貝紋線較為密集，上部相對(duì)較淺較少，因此選取圖1中左側(cè)的A區(qū)開(kāi)展掃描電鏡觀察，同時(shí)選擇擴(kuò)展區(qū)中部的B區(qū)進(jìn)行觀察，對(duì)圖1中A區(qū)的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果如圖4所示。由圖4a可見(jiàn)，在螺柱邊緣有1個(gè)變形開(kāi)裂的橢圓形區(qū)域，圍繞四周的是貝紋線；因此認(rèn)為該橢圓形區(qū)域是裂紋源區(qū)。對(duì)圖4a中的Ⅰ區(qū)裂紋源的高倍放大可知，裂紋起源于螺柱表面，且還有二次裂紋，在裂紋中殘留了較厚的氧化物層，其成分如圖4b所示。對(duì)圖4a中Ⅱ區(qū)貝紋線放大，其形貌如圖4c所示，除了明顯的貝紋線之外，還能發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，如圖中箭頭所示，是多源疲勞斷裂。從圖4還可以看出，裂紋從外表面產(chǎn)生，在零件反復(fù)受力過(guò)程中裂紋向內(nèi)部呈放射狀擴(kuò)展。圖4c顯示了裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞紋，可見(jiàn)清晰的疲勞輝紋，并發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋較粗，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展較快。由以上分析可知，斷裂過(guò)程中首先由裂紋源引起裂紋，隨后進(jìn)一步擴(kuò)展，達(dá)到一定程度后，零件在受力過(guò)程中快速撕裂，導(dǎo)致完全斷裂。

圖4 圖1中螺柱A區(qū)掃描照片和能譜

圖1中B區(qū)的50×和500×掃描電鏡照片如圖5所示。圖5a可見(jiàn)該區(qū)域的疲勞貝紋線；進(jìn)一步放大還能看見(jiàn)疲勞輝紋(見(jiàn)圖5b中的箭頭所示)。

圖5 圖1中螺柱B區(qū)掃描電鏡照片

2.3 金相與硬度的分析

螺柱的金相組織照片如圖6所示。金相組織分析表明，該螺柱金相組織為回火索氏體，是正常的調(diào)質(zhì)組織，晶粒較細(xì)小，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。

圖6 螺柱金相組織照片

采用D—30洛氏硬度計(jì)對(duì)螺柱材料進(jìn)行硬度測(cè)試，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，螺柱硬度平均值為42 HRC，符合螺柱材料使用標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 螺柱硬度檢驗(yàn)

2.4 斷裂原因分析

通過(guò)以上分析結(jié)果可以判斷，底盤緊固螺柱零件在受到外部反復(fù)循環(huán)加載工況下，螺柱產(chǎn)生內(nèi)部疲勞裂紋源，之后疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致螺柱斷裂失效。后期應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化螺柱的尺寸與聯(lián)接方式，使其避免發(fā)生過(guò)度應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以避免或改善螺柱產(chǎn)生疲勞失效的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合分析了底盤緊固螺柱件的宏觀斷口、斷裂形貌、金相組織與硬度。螺柱的成分、金相和硬度檢測(cè)表明，w(C)=0.385%，為回火索氏體，金相組織為正常的調(diào)質(zhì)組織，晶粒較細(xì)小，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。洛氏硬度為42 HRC，符合螺柱材料使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)螺柱的斷裂形貌觀察分析可知，其初始表面覆蓋了氧化物，斷口邊緣的螺紋處存在損傷和二次裂紋。斷口銹跡清洗后的形貌和能譜觀察表明，在斷口宏觀形貌中存在貝紋線，在裂紋源處存在二次裂紋和氧化物，在裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋?？梢耘袛?，螺柱在受到外部反復(fù)循環(huán)加載工況下，產(chǎn)生了內(nèi)部疲勞裂紋源，之后疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺柱斷裂失效。

[1] 王曉敏．工程材料學(xué)[M]．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002．

[2] 史月麗，鄧長(zhǎng)城，顧永琴，等．圓弧軸齒輪斷裂分析[J]．金屬熱處理，2011，32(2):122-124．

[3] 康大韜，郭成熊．工程用鋼的組織轉(zhuǎn)變與性能圖冊(cè)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992．

[4] 孫智，錢永康．45鋼渣漿泵主軸早期疲勞斷裂分析[J]．金屬熱處理，2000，25(5):32-34．

[5] 王延慶，崔春之，王溫銀，等．裝載機(jī)后橋減速器齒輪軸崩齒失效分析[J]．金屬熱處理，2008，32(4):105-107．