乘用車穩(wěn)定桿耐久試驗斷裂失效分析

李迎超, 葉 又, 魏一凡, 劉鵬鵬, 顧磊明

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201208)

穩(wěn)定桿是汽車的底盤懸架零件，如圖1所示，主要用于減少汽車在高速轉(zhuǎn)向時的橫向傾斜，并改善駕駛平順性[1]。其制造工藝一般是采用高強鋼線或鋼管，淬火加中溫回火至40 HRC左右，以獲得較高的強度和一定的韌性。

圖1 穩(wěn)定桿示意圖Fig.1 Diagram of stable bar

某公司為某新車型設計的SUP9鋼制實心穩(wěn)定桿，在道路耐久試驗完成60%～70%時發(fā)生了2起斷裂失效事故，斷裂部位如圖2所示，屬于應力最大區(qū)域。而同一家供應商提供的前一個樣件(以下稱合格件)，已100%通過了相同的耐久試驗。

為研究耐久試驗中失效件與合格件的區(qū)別，筆者對該兩者都進行了一系列檢驗和分析，以查找零件失效的原因，防止類似失效事故的再次發(fā)生。

圖2 斷裂失效件宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured failure part

1 理化檢驗

1.1 斷口分析

觀察失效件斷口宏觀形貌，基本可判斷該斷口為典型的疲勞斷口[2]。如圖3所示，斷口從一側(cè)起源后向另一側(cè)疲勞擴展，形成了典型的疲勞貝紋。在裂紋疲勞擴展近零件橫截面的一半后，零件失穩(wěn)瞬間斷裂，形成了有放射狀條紋的最終瞬斷區(qū)。因為貝紋線所覆蓋斷口面積相對較小，所以雖然是高周疲勞，但零件的應力水平還是比較高的[3]。

圖3 失效件斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the failure part:a) fatigue source area;b) fatigue crack growth area and final fracture area

圖4所示為失效件斷口的微觀形貌，疲勞源區(qū)未見明顯缺陷，在疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷過渡區(qū)，分別可見細小的疲勞輝紋和過載韌窩，未發(fā)現(xiàn)沿晶等較異常的斷口形貌。綜上，可判斷失效件的斷口為典型的高周疲勞斷口，未見顯著異常。

圖4 失效件斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture of the failure part

1.2 化學成分分析

為避免零件表面涂層干擾，分別在失效件與合格件的橫截面上使用斯派克直讀光譜儀進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢娛Ъc合格件的化學成分基本無差異，都符合企業(yè)技術(shù)要求。

1.3 硬度測試

表1 失效件和合格件的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the failure part and the qualified part(mass fraction) %

在穩(wěn)定桿圓形橫截面半徑一半的位置，每隔120°進行維氏硬度測試。失效件與合格件的硬度測試結(jié)果如表2所示。硬度設計要求為400～460 HV5。嚴格來說失效件1已經(jīng)超出設計指標，但失效件2的硬度是完全符合設計要求的。

表2 失效件和合格件心部的硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of the core of the failure part and the qualified part HV5

由于SUP9鋼的碳含量比較高，經(jīng)過淬火加中溫回火后，如果熱處理工藝控制不當，表面較容易產(chǎn)生脫碳問題。而對于抗拉強度為1 300～1 500 MPa的穩(wěn)定桿，脫碳會顯著降低穩(wěn)定桿表面硬度，導致早期疲勞起源并斷裂失效。為此，筆者補充了失效件與合格件表面硬度梯度的檢測，結(jié)果見表3?？梢娛Ъ谋砻嬗捕蕊@著低于合格件的，應在金相檢驗時重點觀察失效件的脫碳情況。

1.4 金相檢驗

表3 失效件和合格件的表面硬度測試結(jié)果Tab.3 Surface hardness test results of the failure part and the qualified part HV0.1

在接近失效部位，從失效件與合格件上取樣，研磨拋光后采用4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液浸蝕制成金相試樣，使用光學顯微鏡觀察對比其顯微組織形貌，如圖5所示?？梢娛Ъ牟拷M織都是正常的回火屈氏體。但兩件失效件的脫碳層都明顯超過了0.1 mm，不過仍滿足小于0.2 mm的指標要求；而合格件經(jīng)反復觀察，基本未見脫碳現(xiàn)象。失效件與合格件的表面顯微組織形貌與表面硬度梯度檢測結(jié)果基本吻合。

圖5 失效件和合格件的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the failure part and the qualified part: a) the core of the failure part; b) the surface of the failure part 1; c) the surface of the failure part 2; d) the surface of the qualified part

2 分析與討論

根據(jù)以上理化檢驗結(jié)果可知，失效件唯一不符合設計指標的是硬度，但與合格件存在最顯著區(qū)別的是脫碳情況。由于該穩(wěn)定桿是整體進行淬回火熱處理的，脫碳現(xiàn)象會存在于整個零件表面，包括疲勞起源點。

一般來說，硬度400 HV5以上的彈簧鋼，存在10 HV5的差異是不會顯著影響疲勞壽命的。兩件失效件的疲勞壽命就很接近，失效件2心部的硬度與合格件的一致，推測有其他原因?qū)е缕谛阅艿娘@著下降。金相檢驗結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的脫碳問題，可導致表面局部硬度下降較大，表面強度明顯低于心部，且當表面應力最大時各種破壞將首先發(fā)生在表面，從而會造成早期疲勞起源并失效[4]。所以脫碳軟化往往會使彈簧類零件的疲勞性能大幅度下降[5]。

就批次間脫碳差異大的問題，筆者調(diào)查了供應商的熱處理工藝。發(fā)現(xiàn)合格批次與失效批次熱處理時的脫碳保護確實有所不同，后者根據(jù)脫碳設計指標而放松了控制要求。雖然原設計指標是沿用幾個車型使用過的常用指標，但該新車型的穩(wěn)定桿應力比以往車型大些，對脫碳這樣的表面缺陷則會更為敏感。

所以，雖然新車型沿用了以往的脫碳設計指標，但由于新穩(wěn)定桿應力高于以往車型，試驗結(jié)果證明以往的脫碳指標已不能滿足該車型耐久試驗要求，必須提高脫碳設計指標才能提高零件表面疲勞強度，并在應力噴丸處理中獲得更高的殘余壓應力。

在零件研發(fā)試驗階段發(fā)生失效，說明并不是滿足設計指標就表明零件本身沒有問題。進行試驗恰恰就是用來驗證設計指標的，失效可能就是因為設計指標有問題。即使是已長期使用的設計指標也值得反復推敲其適用范圍。

失效分析時，和相同試驗的合格件對比十分重要。找到失效件和合格件的顯著區(qū)別，往往就是失效發(fā)生的根本原因，且很可能需要據(jù)此修改原設計指標[6]。通過試驗找到問題，然后調(diào)整設計來解決問題，這種能力正是研發(fā)機構(gòu)的核心競爭力。

3 結(jié)論及建議

失效穩(wěn)定桿的斷口為典型的疲勞斷口，穩(wěn)定桿存在嚴重的脫碳問題，導致穩(wěn)定桿出現(xiàn)早期疲勞起源并最終擴展斷裂。

建議重新制定該穩(wěn)定桿的脫碳指標要求，以提高其耐久性。