汽車轉(zhuǎn)向直拉桿斷裂原因分析

張東珉

摘 要：隨著社會對汽車?yán)寐实闹鹉昱噬?，使得汽車零部件的故障發(fā)生率越來越高，部分汽車的轉(zhuǎn)向直拉桿甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂的情況。本文以改善汽車制造工藝水平以及提升汽車性能為出發(fā)點(diǎn)，首先介紹試驗(yàn)方法、宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)、斷口分析以及微裂紋分析，進(jìn)而針對試驗(yàn)結(jié)果展開分析與討論，最終從本質(zhì)上提升汽車部件的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：汽車;轉(zhuǎn)向直拉桿;斷裂原因

引言

社會整體發(fā)展速度的不斷提升使大眾對汽車的使用需求變得越來越多，轉(zhuǎn)向直拉桿作為汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的重要組成零件，其性能與質(zhì)量將在很大程度上決定汽車整體的穩(wěn)定性與安全性。通常來講，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向橫拉桿都隸屬于轉(zhuǎn)向拉桿，而前者能夠?qū)⑥D(zhuǎn)向搖臂的相應(yīng)運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，其能夠多次承受壓應(yīng)力以及拉應(yīng)力的作用，一旦發(fā)生斷裂就會帶來嚴(yán)重的后果。因此，汽車制造廠商以及維修公司應(yīng)當(dāng)分析汽車零部件的失效原因，探索有效的預(yù)防措施與改進(jìn)方法，從而推動汽車行業(yè)的健康發(fā)展。

1.理化試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)方法

本文所研究的試驗(yàn)材料是自卸車已經(jīng)斷裂的轉(zhuǎn)向直拉桿，借助對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的體視顯微鏡實(shí)現(xiàn)對拉桿斷裂位置的宏觀觀察，并使用全譜直讀光譜儀分析轉(zhuǎn)向直拉桿的主要化學(xué)成分。同時(shí)，試驗(yàn)人員需要切割斷裂的轉(zhuǎn)向直拉桿以實(shí)現(xiàn)取樣操作，制取樣品以后應(yīng)當(dāng)采用98N試驗(yàn)力開展專業(yè)的硬度測試。除此之外，還需要在光學(xué)顯微鏡下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向直拉桿的金相檢驗(yàn)，并在掃描電子顯微鏡的幫助下實(shí)現(xiàn)對斷裂面微裂紋的具體觀察與分析。

1.2宏觀觀察

通過觀察轉(zhuǎn)向直拉桿的斷裂面可以發(fā)現(xiàn)，直拉桿的中間部位有一定程度的弧形彎曲且斷裂位置恰好處于該彎曲面的中間部位，而斷裂部位與軸線的方向幾乎呈垂直。值得一提的是，斷裂部位的附近出現(xiàn)油漆脫落現(xiàn)象且銹蝕痕跡較為明顯，而直拉桿的兩端仍然可以看到黑色油漆。本文所研究的直拉桿外部直徑為三十毫米，所采用的材料壁厚大約五毫米，通過分析鍛煉部位的宏觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷裂部位整體上凹凸不平且斷口有大半?yún)^(qū)域處于銹蝕的狀態(tài)，剩余區(qū)域的斷裂口比較新鮮，這說明斷裂口不同部位的形成時(shí)間有所區(qū)別，且新鮮斷裂口部位形成的時(shí)間相對比較短，而銹蝕現(xiàn)象發(fā)生比較嚴(yán)重的部位斷裂口形成時(shí)間比較長。依據(jù)斷口的相關(guān)形貌特征，可以將斷口分為三個(gè)區(qū)域，分別為斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)以及最新斷裂部位，而斷裂源區(qū)大多處于直拉桿彎曲結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)部位，最新斷裂部位基本處于彎曲結(jié)構(gòu)的外側(cè)部位。除此之外，本文所研究的轉(zhuǎn)向直拉桿具備脆性斷裂的顯著特種，并不存在碰撞現(xiàn)象。

1.3化學(xué)成分分析

通過結(jié)合原子發(fā)射光譜分析方法的相關(guān)文件可知，試驗(yàn)人員可以通過分析轉(zhuǎn)向直拉桿的化學(xué)成分來加深對斷裂部位的了解，并核實(shí)直拉桿的化學(xué)成分是否與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相符。需要注意的是，該直拉桿的化學(xué)組成成分完全符合優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)技術(shù)要求。

1.4硬度測試

實(shí)驗(yàn)人員通過結(jié)合金屬材料的維氏硬度實(shí)驗(yàn)文件對對象直拉桿的端口進(jìn)行硬度測試。結(jié)果顯示，該直拉桿的斷口硬度為185HV10，然后借助相關(guān)轉(zhuǎn)換文件將維氏硬度換為布氏硬度，對應(yīng)的布氏硬度值為178HB，完全符合相關(guān)的硬度技術(shù)要求。

1.5金相檢驗(yàn)

試驗(yàn)人員結(jié)合金屬顯微組織檢驗(yàn)方法文件實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向直拉桿的斷口取樣并進(jìn)行相應(yīng)的金相檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其纖維組織為鐵素體與珠光體的結(jié)合體，完全符合退火態(tài)45鋼在顯微組織方面的一些特征。

1.6斷口分析

斷口的形貌分析也能在一定程度上反映轉(zhuǎn)向直拉桿的斷裂部位特征，試驗(yàn)人員通常從三個(gè)區(qū)域的角度出發(fā)，對斷裂部位的形貌進(jìn)行分析。本文所研究的轉(zhuǎn)向直拉桿第一個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)出較為明顯的臺階形貌且其表面比較平坦，每個(gè)臺階表面存在一定程度的疲勞弧線，裂紋源通常是處于臺階外表面箭頭所指示的部位，對應(yīng)的疲勞裂紋通常是由轉(zhuǎn)向直拉桿的外表面逐步向內(nèi)部擴(kuò)展;第二個(gè)區(qū)域存在撕裂棱與解理臺階，具備一定的準(zhǔn)解理轉(zhuǎn)向直拉桿斷裂形貌特征;第三個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了比較顯著的韌窩現(xiàn)象，其可以作為最后的瞬間斷裂區(qū)域。

1.7微裂紋分析

通過對轉(zhuǎn)向直拉桿斷口的內(nèi)側(cè)部位分析發(fā)現(xiàn)，其靠近外表面的部位出現(xiàn)大量不同截面的微裂紋。而第三個(gè)區(qū)域周邊管壁外表面的形貌上存在一定的銹蝕現(xiàn)象，但是沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象。試驗(yàn)人員又觀察微裂紋沿管壁的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)該斷裂部位的微裂紋整體上趨于平直狀態(tài)，且其擴(kuò)展方向與直拉桿軸向互相垂直。進(jìn)一步分析微裂紋內(nèi)部的物質(zhì)可知，斷裂紋內(nèi)部所含的元素主要有鐵和氧，說明氧化物廣泛分布在微裂紋的內(nèi)部。試驗(yàn)人員還對相關(guān)的試驗(yàn)圖像進(jìn)行分析，記憶發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向直拉桿的端口內(nèi)側(cè)某些部位存在凹凸不平的情況且大都存在腐蝕坑，而微裂紋往往會順著面積較大的腐蝕坑進(jìn)行內(nèi)部擴(kuò)展。對于斷口內(nèi)側(cè)的外表面來說，依然存在部分腐蝕坑形貌，試驗(yàn)人員在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了比較細(xì)微的微裂紋，且其僅僅擴(kuò)展到斷口的較淺部位。

2.分析與討論

通過分析試驗(yàn)人員對轉(zhuǎn)向直拉桿的理化檢驗(yàn)結(jié)果可以得知，本文所研究的轉(zhuǎn)向直拉桿所涉及到的硬度、化學(xué)成分以及顯微組織均為正常。在所有金屬構(gòu)件中，出現(xiàn)混合雜質(zhì)表面有孔洞以腐蝕坑等不連續(xù)缺陷是很常見的，而該類部位通常會成為疲勞斷裂的源頭。

作為一種非常常見的缺陷形式，腐蝕坑的存在會給金屬表面帶來應(yīng)力集中現(xiàn)象。在反復(fù)的交叉載荷摧殘下，腐蝕坑極易變?yōu)榱鸭y源，從側(cè)面加快了疲勞裂紋的擴(kuò)展速度，減少了金屬構(gòu)件的使用壽命，從而致使金屬構(gòu)件在使用早期就出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對腐蝕坑進(jìn)行了比較全面的研究，結(jié)果表明腐蝕坑的深度與寬度會對疲勞裂紋的擴(kuò)展說明產(chǎn)生比較大的影響。

針對轉(zhuǎn)向直拉桿的斷裂部位而言，一方面是由于直拉桿的表面存在油漆脫落的問題，而其內(nèi)部的金屬部分長時(shí)間與空氣接觸，致使直拉桿的表面受到腐蝕與氧化。另一方面，當(dāng)汽車在道路上行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿長時(shí)間會處于拉力與壓力的交叉負(fù)荷作用下，特別是其中部弧形部位內(nèi)側(cè)所受到的應(yīng)力最大。考慮到直拉桿弧形部位內(nèi)側(cè)存在一定的腐蝕坑，當(dāng)該部位的應(yīng)力達(dá)到了材料的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，就會產(chǎn)生微裂紋。隨著時(shí)間的推移，裂紋會發(fā)生更多的擴(kuò)展，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向直拉桿出現(xiàn)大面積的斷裂現(xiàn)象，同時(shí)在環(huán)境的作用下出現(xiàn)銹蝕問題。

參考文獻(xiàn)

[1]吳文祥，尚燦，廖冰.汽車轉(zhuǎn)向直拉桿斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，2016，52（11）：818-821.

[2]楊冬梅，肖武，董新權(quán).汽車轉(zhuǎn)向直拉桿斷裂分析[J].汽車工藝與材料，2015，（4）：31-32.