汽車冷卻裝置護板斷裂的原因

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(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東省分析測試中心，山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，濟南 250014)

0 引 言

某公司生產(chǎn)的汽車冷卻裝置護板在使用約2 a后斷裂，該斷裂護板材料為S355MC鋼，經(jīng)冷成形加工而成。由圖1(a)可見：護板為條形，厚度為3 mm，表面涂有防護漆；護板通過螺栓與冷卻裝置連接，其表面的螺母與護板通過焊接方式連接。螺母材料為45鋼。護板與冷卻裝置一起固定在汽車前端，在汽車行駛過程中受到交變載荷作用。護板在其邊角一處固定螺母的位置發(fā)生斷裂，如圖1(b)所示。為了查明該護板斷裂的原因，作者對其進行了失效分析。

圖1 護板的結構和斷裂位置Fig.1 Structure (a) and fracture location (b) of guard board

圖2 護板的斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture of the guard board

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口的宏觀及微觀形貌

由圖2可見：護板發(fā)生斷裂后，螺母并沒有被破壞，斷裂位置均位于護板與螺母之間的焊縫熔合區(qū)及護板熱影響區(qū)；護板斷口表面呈灰色，比較平齊，無明顯塑性變形。

圖3 護板的斷口SEM形貌Fig.3 SEM micrographs showing fracture of the guard board:(a) fracture and (b) opposite of fracture

在斷口上取樣，清洗后，使用SUPRA55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌。由圖3可見，斷口上有兩個明顯的裂紋源，分別位于護板的內(nèi)、外表面。護板內(nèi)表面裂紋源恰好位于護板與螺母的焊縫熔合區(qū)；由于護板較薄，其外表面也會受到焊接熱循環(huán)的影響，因而外表面的裂紋源位于熱影響區(qū)。裂紋源附近可見放射狀棱線，裂紋沿壁厚方向向護板內(nèi)部擴展，交匯形成瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)位于板厚中心位置；在裂紋擴展區(qū)的部分位置隱約可見貝紋線。

由圖4可見：裂紋源區(qū)存在研磨痕跡，這是由于裂紋在擴展過程中反復張合，使得斷口的對偶面互相研磨而形成的；該區(qū)域還可觀察到在裂紋擴展過程中形成的微裂紋。

圖4 護板斷口裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.4 SEM micrograhs of crack initiation area on fracture of the guard board: (a) at low magnification and (b) at high magnification

圖5 護板斷口裂紋源區(qū)的EDS測試位置及分析結果Fig.5 EDS testing position (a) and results (b) of crack initiation area on fracture of the guard board

利用INCA X-act型能量色散X射線儀(EDS)對裂紋源區(qū)進行微區(qū)成分分析。由圖5可見，裂紋源區(qū)未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素。

將裂紋擴展區(qū)貝紋線附近位置放大后，可見該處存在典型的疲勞輝紋，如圖6所示。

1.2 化學成分

在斷裂護板上取樣，經(jīng)打磨、拋光，用分析純乙醇擦拭，制成符合成分分析的標準試樣后，用ZSX Primus II型X射線熒光光譜儀和CS-8800型高頻紅外碳硫分析儀進行成分分析，結果見表1。由表1可知，該護板的化學成分符合Q/BQB 311-2009中S355MC鋼的成分要求。

圖6 護板斷口裂紋擴展區(qū)疲勞輝紋的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs showing fatigue striations in the crack propagation region on fracture of the guard board: (a) field 1 and (b) field 2

圖7 護板斷口表面、裂紋源區(qū)剖面及焊縫的顯微組織Fig.7 Microstructures of fracture (a), profile of crack initiation area (b) and weld seam (c-d) of the guard board:(c) at low magnification and (d) at high magnification

表1 斷裂護板的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the fractured guardboard (mass)%

1.3 顯微組織

在斷裂護板母材、斷口表面、裂紋源區(qū)剖面以及焊縫、熱影響區(qū)分別截取尺寸約為8 mm×3 mm×5 mm的金相試樣，經(jīng)拋光，用體積分數(shù)為3%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axio Observer A1m型光學顯微鏡上觀察顯微組織。由圖7可見：斷口表面上存在較多裂紋，裂紋從護板邊緣一直貫穿至護板內(nèi)部，斷口顯微組織為鐵素體和片狀珠光體；在裂紋源區(qū)剖面上，可見母材熱影響區(qū)存在多處裂紋；焊縫區(qū)存在明顯的未熔合、夾渣等焊接缺陷，焊縫區(qū)顯微組織為柱狀晶，晶界處為鐵素體，晶內(nèi)為索氏體和針狀鐵素體，還有魏氏組織存在。

由圖8可以看出：護板熱影響區(qū)顯微組織為鐵素體和粒狀珠光體；護板母材組織為鐵素體和片狀珠光體。

圖8 護板熱影響區(qū)和母材的顯微組織Fig.8 Microstructures of heat affected zone (a) and base metal (b) of the guard board

1.4 力學性能

在斷裂護板上截取平行段尺寸為15 mm×3 mm×100 mm的拉伸試樣和尺寸為15 mm×3 mm×150 mm的彎曲試樣，在WDW-300E型萬能試驗機上進行拉伸和彎曲試驗。拉伸試樣標距為50 mm，拉伸速度為2 mm·min-1。彎曲試驗采用三點彎曲方式，跨距為40 mm，下壓速度為1 mm·min-1。測得護板的抗拉強度為483 MPa，上屈服強度為424 MPa，斷后伸長率為21.0%。彎曲后試樣的外側面肉眼未見裂紋。護板的拉伸性能和彎曲性能均滿足Q/BQB 311-2009規(guī)定的S355MC鋼的性能要求。

2 斷裂原因分析

該斷裂護板是用來固定汽車冷卻裝置并保護其不受污染，防止冷卻裝置損傷的結構件。由分析結果可知，斷裂護板的化學成分和力學性能均滿足標準要求。汽車在行駛過程中存在顛簸、加減速、啟動、停止等情況，汽車冷卻裝置也會隨之發(fā)生振動，導致其護板受到交變載荷作用。結合斷口形貌分析可知：護板螺母處為一固定支點，最大力矩位于護板的內(nèi)外表面；護板斷裂是裂紋擴展、累積損傷的結果，而不是一次性偶然的超載破壞。

由斷口形貌分析可知，斷裂護板斷口上存在兩個裂紋源和兩個裂紋擴展區(qū)，護板內(nèi)外表面的裂紋源同時向護板內(nèi)部擴展，在護板內(nèi)部交匯導致了護板斷裂，因此斷口表面的瞬斷區(qū)較小。裂紋擴展區(qū)的面積分數(shù)達到90%以上，說明護板受到的交變應力輻較小。裂紋擴展區(qū)可見明顯疲勞輝紋，說明護板發(fā)生了疲勞斷裂。

疲勞裂紋源區(qū)一般位于表面存在應力集中的位置[1-3]。斷口上的兩個裂紋源分別位于護板的內(nèi)、外表面，內(nèi)表面裂紋源恰好位于護板與螺母的焊縫熔合區(qū)，外表面裂紋源位于焊接熱影響區(qū)。焊縫是該裝置的薄弱環(huán)節(jié)。裂紋是焊接接頭中最常見的一種缺陷[4-5]，是由于焊接應力及其他致脆因素的共同作用，破壞了焊接接頭局部區(qū)域的金屬原子結合力，導致新界面的形成而產(chǎn)生的。觀察護板和螺母間焊縫的形貌可知，焊縫中存在非常明顯的未熔合、夾渣等焊接缺陷。裂紋及焊接缺陷的存在會降低焊縫的承載能力，并產(chǎn)生應力集中[6]，最終導致斷裂。

3 結論及措施

(1) 在汽車運行過程中產(chǎn)生的交變載荷作用下，裂紋在護板的內(nèi)表面與螺母的焊縫熔合區(qū)及外表面焊接熱影響區(qū)的缺陷處萌生并沿厚度方向向護板中心擴展，在內(nèi)部交匯，導致護板斷裂；護板的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，焊接缺陷是導致疲勞開裂的主要原因。

(2) 建議提高焊接質(zhì)量，如在焊接完成后對焊縫進行緩冷或保溫處理，以釋放因溫度降低而引起的應力集中，同時避免魏氏組織的生成，防止疲勞裂紋的過早萌生。