某重型汽車一橋擺臂開裂原因分析

(陜西重型汽車有限公司， 西安 710200)

一橋擺臂是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零件之一，其主要作用是將轉(zhuǎn)向拉桿的力傳遞至轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。某重型汽車一橋擺臂在服役期間發(fā)生開裂，該開裂一橋擺臂的材料為40Cr鋼，加工工序為：下料→自由鍛→模鍛→噴砂→熱處理→機加工→表面噴漆。為查明該一橋擺臂開裂的原因，筆者對其進行了檢驗和分析，以期避免此類事件的再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

開裂擺臂的宏觀形貌如圖1所示，可見開裂發(fā)生在折彎處，沿厚度方向兩側(cè)均可見開裂。開裂擺臂的表面孔位有裝配痕跡，其余部位未見嚴重的磕碰、擦傷等外來機械損傷。

將擺臂的裂紋打開后觀察裂紋開裂面形貌，圖2為開裂斷面的宏觀形貌?？梢娂t褐色物質(zhì)覆蓋的較不平坦區(qū)域為開裂斷面，其余斷面則是打開裂紋時切割形成的，開裂斷面貫通擺臂的厚度方向，并向內(nèi)擴展15～20 mm。開裂斷面距擺臂表面1～3 mm區(qū)域分布有較多小臺階，其余開裂斷面則呈典型的纖維狀，人字紋指向擺臂表面裂紋。

圖1 開裂擺臂宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked swing arm

圖2 開裂斷面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracked fracture surface:a) original fracture surface；b) fracture surface after cleaning

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜分析儀對開裂擺臂的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1。可見開裂擺臂的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015合金結(jié)構(gòu)鋼對40Cr鋼的成分要求。

1.3 微觀分析

擺臂的開裂斷面經(jīng)拋光后，使用4%(體積分數(shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，其宏、微觀形貌如圖3所示，可見開裂斷面上富集小臺階的部位內(nèi)有一淺色近似扇形的區(qū)域。扇形區(qū)域的顯微組織形貌如圖4所示，可見其顯微組織為鐵素體+片狀珠光體+貝氏體，片狀珠光體輕微破碎。開裂擺臂正常區(qū)域的顯微組織為中等粗細的回火索氏體+少量貝氏體+少量鐵素體，如圖5所示。在擺臂開裂斷面的次表面可見多條與開裂斷面平行的條帶狀缺陷，缺陷兩側(cè)較平滑并伴有明顯的脫碳，其內(nèi)部有斷續(xù)分布的夾雜及微裂紋，如圖6所示。

表1 開裂擺臂的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of cracked swing arm(mass fraction) %

圖3 斷面宏、微觀形貌Fig.3 The a) macro and b) micro morphology of fracture surface

圖4 扇形區(qū)域顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of sector region

圖5 正常區(qū)域顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of normal region

圖6 開裂斷面及次表面顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of fracture surface and subsurface

1.4 金相檢驗

對同批次的未服役擺臂(對應(yīng)開裂擺臂的開裂處)進行金相檢驗，試樣經(jīng)磨拋后的宏觀形貌如圖7所示?？梢娫撎幍牧骶€呈“幾”字形分布，“幾”字開口朝向擺臂表面。在“幾”字開口處有線狀缺陷，該缺陷顏色較淺。在光學(xué)顯微鏡下觀察，可見“幾”字形缺陷兩側(cè)有輕微貧碳現(xiàn)象，且內(nèi)部有斷續(xù)分布的微孔洞、夾雜等，如圖8所示。

圖7 未服役擺臂磨拋后的宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of the unused swing arm after grinding and polishing

圖8 線狀缺陷處的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the linear defect

2 分析與討論

由上述理化檢驗結(jié)果可知，開裂擺臂的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015對40Cr鋼的成分要求，且其顯微組織正常。

開裂發(fā)生在擺臂的折彎處，在開裂面的次表面可見多條與開裂面近似平行的條帶狀缺陷，同批次未服役擺臂對應(yīng)開裂位置上的流線呈“幾”字形分布，表明該區(qū)域在壓應(yīng)力作用下發(fā)生了劇烈的塑性變形，“幾”字形開口處可見線狀缺陷。通過缺陷的微觀形貌，并結(jié)合擺臂的加工工藝可知，此缺陷為鍛造過程中產(chǎn)生的折疊缺陷。

折疊缺陷破壞了擺臂的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源、裂紋源等，而且顯著降低擺臂的力學(xué)性能，導(dǎo)致擺臂在此處萌生裂紋，在正常服役過程中裂紋會逐漸擴展。

由調(diào)查可知，擺臂在噴砂結(jié)束后表面有肉眼可見的程度不一的缺陷，故對擺臂表面進行了補焊處理，斷口上富集的小臺階即為補焊所致。由檢驗結(jié)果可知，補焊未完全消除擺臂的折疊缺陷，且補焊所用焊條與母材成分有較大差異。

當擺臂出現(xiàn)折疊缺陷時可以通過合理的補焊工藝進行修補，但必須注意以下幾點：補焊應(yīng)在擺臂熱處理之前；折疊缺陷應(yīng)進行機械打磨，待完全消除后再進行補焊；補焊時應(yīng)采用與母材成分相近的焊條。

3 結(jié)論及建議

該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂，擺臂在鍛造過程中產(chǎn)生了折疊缺陷，折疊缺陷內(nèi)伴生夾雜及微裂紋，在工作應(yīng)力下折疊缺陷成為疲勞源，最終導(dǎo)致擺臂開裂。

建議優(yōu)化擺臂的鍛造工藝，選擇合適的折彎模具，以減少折疊缺陷的產(chǎn)生；對擺臂易產(chǎn)生折疊缺陷的部位進行磁粉探傷檢測，加強擺臂的質(zhì)量檢驗。