車(chē)輛空心穩(wěn)定桿斷裂失效分析

李奕寶，丁都都，許陽(yáng)釗

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 510640)

0 引言

在車(chē)輛獨(dú)立懸架中，穩(wěn)定桿是連接左、右懸架，提高整車(chē)操縱性能的關(guān)鍵零部件，近年來(lái)，整車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，空心穩(wěn)定桿的應(yīng)用逐漸增多，由于空心穩(wěn)定桿的材料、結(jié)構(gòu)均與實(shí)心穩(wěn)定桿不同，所以空心穩(wěn)定桿的成型和熱處理工藝均不一致，目前，國(guó)內(nèi)穩(wěn)定桿廠家針對(duì)空心穩(wěn)定桿的工藝開(kāi)發(fā)也增加越來(lái)越多的投入進(jìn)行研究，以保證空心穩(wěn)定桿能滿(mǎn)足車(chē)輛使用要求。

本文作者以空心穩(wěn)定桿斷裂的案例進(jìn)行分析研究，介紹了空心穩(wěn)定桿斷裂分析的思路流程，并最終通過(guò)分析結(jié)果，確定斷裂的根本原因。

1 斷裂現(xiàn)狀

文中的空心穩(wěn)定桿斷裂為實(shí)際使用過(guò)程早期斷裂，檢測(cè)斷裂樣件無(wú)明顯磕碰痕跡，排除干涉或外力造成斷裂失效，如圖1所示。

圖1 斷裂失效示意

2 斷裂原因分析

2.1 材質(zhì)分析

該空心穩(wěn)定桿采用的材質(zhì)為成熟的材料牌號(hào)，采用直讀光譜儀測(cè)試分析斷裂樣件的化學(xué)成分見(jiàn)表1，斷裂樣件材料滿(mǎn)足要求。

表1 材質(zhì)化學(xué)成分分析 %

2.2 硬度檢測(cè)

采用數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)斷裂樣件進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果硬度滿(mǎn)足要求，如表2所示。

表2 斷裂件硬度檢測(cè)結(jié)果

2.3 斷口形態(tài)和金相分析

如圖2—5所示，通過(guò)電鏡掃描觀察斷裂零件宏觀形貌，按照斷裂特征分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)3個(gè)區(qū)域。

圖2 斷裂件宏觀斷口

圖3 裂紋源區(qū)形貌

圖4 裂紋源邊緣區(qū)域形貌

圖5 擴(kuò)展區(qū)形貌

裂紋源區(qū)為起裂位置，由圖可知，位于斷口的黑色區(qū)域，其邊緣斷口金屬受到擠壓，在未受到擠壓區(qū)域觀察到冰糖狀沿晶斷裂形貌，同時(shí)可清晰地觀察到三叉晶界上的二次裂紋及塑性楞線，裂紋源區(qū)整體為脆性開(kāi)裂。斷口上的擴(kuò)展區(qū)域主要由拉長(zhǎng)的韌窩群組成，為韌性斷裂，表明材料具有一定的塑性，其斷裂時(shí)受到較大應(yīng)力的作用。終斷區(qū)與斷口表面呈一定夾角，為受到剪切應(yīng)力形成的剪切唇帶。

在斷口裂紋源區(qū)沿零件管材的縱向取截面進(jìn)行裂紋源區(qū)金相組織觀察，如圖6—7所示，在斷口剖面裂紋源區(qū)樣品上觀察到多處沿晶裂紋，未發(fā)現(xiàn)氧化皮等缺陷，樣品腐蝕后可清晰地觀察到沿晶裂紋，裂紋包絡(luò)的區(qū)域較大，若為一個(gè)晶粒，平均尺寸約為50 μm，晶粒度在5.5級(jí)左右。

圖6 斷口金相取樣示意

圖7 裂紋源區(qū)金相組織

零件基體組織為淬火+回火熱處理組織，內(nèi)壁脫碳層深度為60～70 μm，外壁無(wú)明顯脫碳，內(nèi)、外壁脫碳層深度滿(mǎn)足要求，如圖8—9所示。

圖8 內(nèi)壁金相組織

圖9 外壁金相組織

綜上斷口和金相分析，該斷裂具有延遲斷裂特征，是一種脆性斷裂，非疲勞耐久導(dǎo)致的斷裂失效模式，裂紋應(yīng)在穩(wěn)定桿的生產(chǎn)過(guò)程中就已經(jīng)產(chǎn)生，隨著穩(wěn)定桿在實(shí)際使用過(guò)程中，外部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力共同作用下，裂紋加劇，進(jìn)一步產(chǎn)生韌性撕裂，從而形成沿晶裂紋及塑性楞線特征的斷裂形貌。

2.4 工藝分析

結(jié)合空心穩(wěn)定桿的生產(chǎn)工藝流程圖分析，最有可能導(dǎo)致裂紋的工序?yàn)榇慊鸷突鼗鸸ば?，進(jìn)一步排查淬火和回火工序的作業(yè)卡和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程淬火液溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度要求，淬火液溫度偏低，易造成淬火反應(yīng)劇烈，使工件表面產(chǎn)生淬火裂紋。

2.5 故障再現(xiàn)驗(yàn)證

根據(jù)工藝分析存在的問(wèn)題，進(jìn)行故障再現(xiàn)驗(yàn)證，按淬火液溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度要求的工況進(jìn)行淬火并制作樣件，通過(guò)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)樣件存在明顯裂紋，如圖10所示，再將樣件進(jìn)行臺(tái)架耐久驗(yàn)證，出現(xiàn)早期斷裂，斷口形態(tài)與文中分析的故障案例近似。

圖10 磁粉探傷示意圖

3 結(jié)論

文中針對(duì)空心穩(wěn)定桿的斷裂案例進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹了分析斷裂原因的思路，通過(guò)斷裂樣件的材質(zhì)、硬度和斷口金相等方面進(jìn)行分析，并確定斷裂的根本原因，為空心穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)量控制提供參考。

(1)穩(wěn)定桿斷裂失效的原因眾多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)干涉、材質(zhì)、硬度、制造缺陷等各個(gè)方面都可能導(dǎo)致失效，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中均需要關(guān)注并進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)驗(yàn)證；

(2)空心穩(wěn)定桿的制造工藝與傳統(tǒng)的實(shí)心穩(wěn)定桿工藝不一樣，熱處理參數(shù)也不同，制造過(guò)程各個(gè)細(xì)節(jié)需要驗(yàn)證充分，尤其淬火和回火熱處理工序需要實(shí)時(shí)監(jiān)控；

(3)穩(wěn)定桿的缺陷、裂紋可以通過(guò)磁粉探傷有效地進(jìn)行識(shí)別和檢查，在生產(chǎn)過(guò)程中可以考慮采用磁粉探傷進(jìn)行外觀缺陷檢測(cè)。