汽車減震器活塞桿斷裂失效分析

宋建鋒 卞建豐 韓懷賓，2 王清波 白瑞娟 郝少花

(1.河南濟源鋼鐵（集團）有限公司； 2.河南省特殊鋼材料研究院有限公司)

0 引言

減震器作為汽車的一個關(guān)鍵部件，其性能直接影響到汽車駕乘的安全性、動力性、經(jīng)濟性、舒適性等。使用非調(diào)質(zhì)鋼加工的高性能汽車減震器對于改善車輛的的使用性能有著重要的影響作用，同時可以有效地節(jié)能減排，降低生產(chǎn)成本［1-2］。

某汽車減震器活塞桿在進行壓彎試驗中發(fā)生斷裂，該汽車減震器活塞桿成品壓彎力值撓度要求區(qū)間17～33 mm，檢驗時在撓度13 mm 處斷裂。該減震器活塞桿用原材料為F45MnVS 非調(diào)質(zhì)熱軋圓鋼，制備工藝為下料→高頻表面淬火（淬硬層深度:1.0～2.0 mm）→回火（溫度：180 ℃；時間：2～2.5 h）→外圓磨削→精車兩端→機加工→外圓磨削→外圓整體電鍍→去氫（溫度：190 ℃；時間:2 h）→電鍍后磨削→成品壓彎試驗。筆者通過對發(fā)生斷裂的活塞桿進行成分、斷口形貌、金相組織、氫含量等項目檢測，分析了活塞桿壓彎檢驗過程中發(fā)生異常斷裂的原因并提出了改進意見。

1 材料與測試方法

1.1 化學(xué)成分

從斷裂減震器活塞桿上截取塊狀試樣（避開鍍Cr 層），使用德國斯派克SPECTROLABM11 型直讀光譜儀對樣品進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。表中同時列出了GB/T15712—2016《非調(diào)質(zhì)機械結(jié)構(gòu)鋼》對F45MnVS 鋼化學(xué)成分的要求。

表1 減震器活塞桿的化學(xué)成分

從表1 可以看出，活塞桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 測試方法

采用Canon 數(shù)碼相機對減震器活塞桿斷口宏觀形貌進行拍攝；采用德國蔡司EV0 18 掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行觀察；金相試樣經(jīng)過切割、砂紙打磨和金剛石研磨膏拋光后，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在德國蔡司Observer.A1m 金相顯微鏡上進行觀察；使用氧氮氫測定儀對樣品不同部位進行氫含量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

斷裂減震器活塞桿斷口的宏觀形貌如圖1 所示，斷口為銀灰色的平齊斷口，存在兩種形貌特征，最外層1.3 mm 左右為瓷狀斷口特征，其余為放射狀斷口特征，斷裂源起始于樣品外表面，未見明顯塑性變形和氧化腐蝕，具有脆性開裂特征。

圖1 減震器活塞桿斷口的宏觀形貌

2.2 微觀形貌分析

對斷口做電鏡分析，斷裂起始于樣品外表面，斷口斷裂源處微觀形貌如圖2 所示。斷口分為四個區(qū)域，最外層Ⅰ區(qū)為鍍層斷口形貌，且存在微裂紋，鍍層除基體元素外，含有較高含量的 Cr 元素；次外層Ⅱ區(qū)斷口為準(zhǔn)解理斷口形貌，存在少量淺韌窩和雞爪狀的撕裂痕，且斷口上存在孔洞缺陷；Ⅲ區(qū)斷口為沿晶＋韌窩斷口形貌；Ⅳ區(qū)斷口為解理斷口形貌，可見解理臺階和解理刻面，解理刻面上有少量河流花樣，解理刻面呈扇形，且斷口上存在二次裂紋，整個斷口上均無異常夾雜，斷口各區(qū)域微觀形貌如圖3 所示，鍍層的能譜分析結(jié)果見表2 和圖4。

圖2 斷口斷裂源處微觀形貌

圖3 斷口各區(qū)域微觀形貌

表2 鍍層能譜分析結(jié)果

圖4 鍍層的能譜分析

2.3 金相分析

沿試樣斷裂源處取縱向試樣做金相分析，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對夾雜物進行評級，斷口處除硫化錳夾雜外無異常夾雜。樣品斷裂源處及擴展區(qū)外表面均存在密集分布的微裂紋，裂紋沿徑向向內(nèi)擴展，并且微裂紋開口處的兩側(cè)未見鍍鉻現(xiàn)象，裂紋處無氧化及其他冶金缺陷，樣品外表面存在0.06 mm深的鍍層；用4%硝酸酒精腐蝕后觀察，樣品外表面微裂紋均在高頻淬火層以內(nèi)，高頻淬火層深度1.3 mm，組織為回火馬氏體＋少量鐵素體，符合技術(shù)要求；觀測距裂紋源10 mm 處組織形貌，發(fā)現(xiàn)除鍍鉻層區(qū)域存在部分孔洞外，樣品基體表面無裂紋等缺陷，樣品基體組織為F+P。

圖5 樣品微觀組織形貌

2.4 氣體氫含量分析

分別在活塞桿樣品近表面（電鍍層附近）和心部位置取樣，使用力可TCH-600 氧氮氫聯(lián)測儀進行氫含量分析，氫含量測試結(jié)果表明活塞桿樣品近表面位置的氫含量為0.000 316%，明顯高于心部位置的0.000 005%，具體見表3。

表3 樣品氫含量檢測結(jié)果

3 分析與討論

減震器活塞桿是采用的高頻表面淬火處理工藝，樣品斷裂源處及擴展區(qū)外表面均存在密集分布的微裂紋，斷口附近尤為嚴(yán)重。從宏觀分析來看，斷口為銀灰色的平齊斷口，斷口存在兩種形貌特征，最外層1.3 mm 左右為瓷狀斷口特征，其余為放射狀斷口特征，說明斷裂源起始于樣品外表面。

從材料理化檢驗結(jié)果來看，減震器活塞桿的表面及心部金相組織、化學(xué)成分、淬火層深均符合工藝技術(shù)要求。微觀分析發(fā)現(xiàn)斷口Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的斷口形貌為較典型的氫脆斷口形貌，該區(qū)域存在少量淺韌窩和雞爪狀的撕裂痕，且斷口上存在孔洞缺陷及沿晶斷裂微觀形貌，具有氫脆開裂特征［3-4］，在隨后的氫含量檢測中也得到了驗證。非調(diào)質(zhì)鋼是通過釩氮微合金化來提高其強度的，因而材料氫脆敏感性大，裂紋擴展速度也快［5-6］。微裂紋開口處的兩側(cè)未見鍍鉻現(xiàn)象，這說明基體表面微裂紋產(chǎn)生于鍍鉻之后，遠(yuǎn)離裂紋遠(yuǎn)處基體表面未發(fā)現(xiàn)裂紋，這說明微裂紋是在壓彎試驗過程中，由于拉應(yīng)力的作用而向活塞桿表面和內(nèi)部擴展的。綜合上述分析說明：減震器活塞桿表面因電鍍而產(chǎn)生了氫聚集，在隨后的壓彎試驗中，由于拉應(yīng)力的共同作用，造成整個減震器活塞桿的斷裂。

4 結(jié)論

（1）活塞桿表面鍍Cr 層厚度約為0.06 μm，高頻淬火層深度為1.3 mm，組織為回火馬氏體＋少量鐵素體，心部基材組織為鐵素體+珠光體，均符合技術(shù)條件要求。

（2）減震器活塞桿的斷裂是由于氫脆引起的。建議減震器活塞桿在鍍鉻后應(yīng)及時進行去氫處理，并嚴(yán)格按照除氫工藝制度執(zhí)行，避免因鍍鉻而帶來的氫脆問題。