汽車用后穩(wěn)定桿失效分析

劉靜，付揚帆，周富

（1. 西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039； 2. 重慶市環(huán)境腐蝕與防護工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

穩(wěn)定桿又稱防橫搖穩(wěn)定桿或防側(cè)傾桿，是汽車獨立懸架系統(tǒng)的重要安全件。在汽車轉(zhuǎn)彎或遇到阻力時，通過將力從車身一側(cè)傳遞到另一側(cè)以保持車身的平衡和穩(wěn)定性，使用工況主要受剪切、擠壓和扭轉(zhuǎn)共同作用[1-4]。某汽車主機廠生產(chǎn)的后穩(wěn)定桿在臺架試驗過程中發(fā)生斷裂，后穩(wěn)定桿設(shè)計要求疲勞壽命30萬次以上，實際臺架試驗中出現(xiàn)批量性斷裂問題，其中疲勞壽命最短的在8.0 萬次時便出現(xiàn)斷裂失效，對產(chǎn)品研發(fā)過程造成較大困擾。主機廠委托對失效后穩(wěn)定桿進行分析，找到提前斷裂失效的根本原因，并給出合理整改意見。失效的后穩(wěn)定桿選用材料為60Si2MnA，生產(chǎn)工藝為：下料→加熱（880～900 ℃，40 min）→軋制成形→淬火（850～870 ℃，25 min）→回火（500～530 ℃，120 min）→探傷。

1 試驗設(shè)計及內(nèi)容

針對失效樣件，分別在原材料本身、生產(chǎn)工藝（加工及熱處理工藝）使用工況等方面進行分析，判斷裂紋出現(xiàn)的根本原因。具體測試分析項目如下：采用HR-150A 型洛氏硬度計測試樣品硬度，參照標準為GB/T 230.1—2009《金屬洛氏硬度試驗第1 部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 標尺）》；采用KDC-5B 型自動精密碳硫儀檢測C、S 元素含量，參照標準為GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》；采用 ICP 分析儀檢測 Si、Mn、P元素含量，參照標準為GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》；采用Observer.A1m 型倒置式研究級顯微鏡進行金相分析及非金屬夾雜評定，參照標準為GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》；采用Quanta 200 型環(huán)境掃描電鏡對斷口形貌進行觀察，分析裂紋源狀態(tài)及斷裂形式。

2 結(jié)果及分析

2.1 宏觀分析

樣件斷面干凈，無銹蝕和污染現(xiàn)象，裂紋起始于彎曲變形內(nèi)圓弧表面，斷面可見典型的同心圓狀疲勞貝紋線，自裂紋源呈放射狀向芯部擴展，屬于疲勞斷裂。疲勞擴展區(qū)面積約占整個斷口的40%，裂紋源附近表面有輕微擠壓變形現(xiàn)象。樣件及斷口宏觀形貌如圖1 所示。

圖1 樣品及斷口宏觀形貌

2.2 材質(zhì)測試

在斷口附近取樣進行材質(zhì)分析，結(jié)果見表1。由表1 可知，樣品基體材質(zhì)符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中規(guī)定的60Si2MnA 材料要求。

表1 材質(zhì)分析結(jié)果 %

2.3 力學(xué)性能測試

在樣件較平齊區(qū)域取拉伸試樣進行力學(xué)性能試驗，標定為1#、2#拉伸樣，測試結(jié)果見表2。由表 2 可知，樣件力學(xué)性能滿足標準 GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中規(guī)定的60Si2MnA 材料要求。取硬度樣塊進行基體硬度測試，標定為1#、2#硬度塊，結(jié)果見表3。由表3 可知，樣件硬度值滿足技術(shù)要求。

表2 材料性能測試

表3 硬度測試結(jié)果

2.4 斷口掃描

將斷口經(jīng)超聲波清洗后，利用Quanta200 型環(huán)境掃描電鏡進行微觀形貌分析。由圖2 可知，斷口裂紋在多個位置萌生，裂紋源有裂紋擴展相遇形成的臺階紋，裂紋源斷口為撕裂和準解理的混合斷裂，局部區(qū)域表面有凹陷現(xiàn)象。由圖3 可知，疲勞裂紋擴展區(qū)微觀形貌主要為準解理斷裂，前期疲勞擴展階段疲勞貝殼紋不明顯，在疲勞擴展區(qū)后期可見明顯較寬的疲勞貝殼紋。這說明疲勞裂紋擴展區(qū)前期擴展速率較慢，后期為失穩(wěn)快速疲勞擴展階段，疲勞擴展區(qū)占整個斷面的40%左右。由圖4 可知，瞬間斷裂區(qū)斷口為撕裂變形韌窩的韌性斷裂，韌窩開口指向裂紋擴展方向。

2.5 非金屬夾雜物評定

垂直于斷口縱向取樣進行非金屬夾雜物評定，由表4 中非金屬夾雜物評定結(jié)果可知，材料非金屬夾雜物符合60Si2MnA 材料技術(shù)要求。

圖2 裂紋源微觀形貌

圖3 疲勞裂紋擴展區(qū)微觀形貌

圖4 瞬斷區(qū)微觀形貌

表4 非金屬夾雜物評定結(jié)果

2.6 金相組織觀察

垂直于斷口縱向取樣進行金相組織分析。由圖5可知，樣品磨拋后可見，在裂紋源處表面存在明顯微裂紋，微裂紋內(nèi)填充滿灰色氧化物，微裂紋擴展方向并非垂直材料表面縱深發(fā)展，而是在次表層近乎平行表面擴展。微裂紋深度約為30 μm，寬度約為235 μm，微裂紋呈折線擴展，內(nèi)部存在分叉現(xiàn)象，裂紋擴展紋路并不規(guī)則，判定并非受到應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)力開裂裂紋。由金相組織分析可知，在裂紋源附近表面存在大量弧形微裂紋，微裂紋兩側(cè)表面存在脫碳現(xiàn)象，如圖6 所示。金相組織為屈氏體+少量鐵素體，表層無脫碳現(xiàn)象。

2.7 分析與討論

疲勞斷裂出現(xiàn)在承受波動應(yīng)變或交變載荷構(gòu)件中，當施加交變應(yīng)力水平處于彈性變形范圍內(nèi)時，屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂。研究表明，疲勞裂紋擴展時間決定了材料疲勞壽命，而疲勞裂紋的萌生為裂紋的擴展提供了條件[5-8]。疲勞裂紋萌生于零件表面應(yīng)力集中（尖角、缺陷等）或強度較低部位，零件的表面缺陷對疲勞裂紋的萌生影響較大（如表面折疊、裂紋、凹坑）。表面缺陷一般由于成形工藝、成形磨具缺陷等原因造成。在表面缺陷處易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，疲勞裂紋在循環(huán)載荷作用下容易在缺陷處萌生，特別是高強度材料對于表面缺陷敏感性較高[9-10]。

圖5 裂紋源處表面形態(tài)

圖6 裂紋源處金相組織

文中分析的失效后穩(wěn)定桿樣件化學(xué)成分材料符合 60Si2MnA 要求，樣件基體金相組織未發(fā)現(xiàn)異常，樣件拉伸性能和硬度滿足技術(shù)要求。后穩(wěn)定桿疲勞裂紋在表面萌生，疲勞斷口包括裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)。裂紋源區(qū)存在多條臺階紋，說明裂紋源處應(yīng)力集中較大，擴展區(qū)約占整個斷口面積的40%，疲勞擴展為低周疲勞斷裂。裂紋源處的金相組織形態(tài)可見，裂紋源處存在較多微裂紋，微裂紋沿表面縱向分布，表面凹凸不平，微裂紋呈圓弧狀。與淬火裂紋尾端剛直尖細特征不同，微裂紋兩側(cè)存在脫碳現(xiàn)象，裂紋內(nèi)部填充氧化產(chǎn)物，說明微裂紋在后期熱處理前已經(jīng)存在。根據(jù)后穩(wěn)定桿樣件生產(chǎn)工藝流程可知，該裂紋產(chǎn)生階段應(yīng)該在軋制成形過程中，結(jié)合軋制折疊特征及金相分析結(jié)果可知，該表面微裂紋缺陷應(yīng)該為軋制折疊缺陷。

軋制折疊缺陷是在變形過程中表面組織與芯部基體組織流動速度不一致引起的，一般有三個特征：軋制折疊分布方向與軋制方向（金屬流線方向）一致；軋制折疊裂紋一般較淺，呈圓弧曲線或折線擴展，微裂紋存在分叉現(xiàn)象；折疊裂紋兩側(cè)存在明顯氧化和脫碳現(xiàn)象[11-13]。表面折疊產(chǎn)生原因主要在有兩方面：一是由于軋件本身表面質(zhì)量問題，可能由于帶有缺陷（如表面局部有凸起、凹坑、錯位、劃傷、褶皺、不平或有尖角以及過充滿）的軋件進入下一道次軋制時，缺陷被壓平形成折疊；二是由于軋輥表面質(zhì)量缺陷及安裝不當引起。表面折疊缺陷的存在，降低了樣件表面的光潔度，且容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。在循環(huán)載荷作用下，表面折疊缺陷為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件[14-15]。

4 結(jié)語

針對缺陷試樣可能出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，有針對性地進行預(yù)防。具體預(yù)防措施為：加強原材料線材采購入廠質(zhì)量檢驗，排除存在表面缺陷（凸起、凹坑、銹斑、劃傷、褶皺表面）的圓鋼線材；加強軋制工藝過程控制，定期檢驗在線工裝件，如導(dǎo)衛(wèi)、軋輥的安裝質(zhì)量，確保軋制前的對中；定期檢查軋輥表面質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)并清除軋輥表面粘黏異物，必要時更換軋輥；對問題批次樣件進行100%超聲探傷，加大后續(xù)批次探傷排查力度，排除缺陷樣件，提前排除安全隱患。

通過對原材料線材質(zhì)量嚴格把控及軋制工藝過程嚴格監(jiān)管，有效控制不合格產(chǎn)品出現(xiàn)。通過及時排查更換存在安全隱患的在試驗樣件，杜絕了類似失效事故。