汽車穩(wěn)定桿斷裂分析

劉華東，邵百明，黎軍頑

(1. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司 乘用車公司，上海 201805；2. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

汽車穩(wěn)定桿是汽車懸架系統(tǒng)中的重要輔助彈性元件之一，主要用于減少汽車在高速轉(zhuǎn)向時(shí)的橫向傾斜，并改善汽車行駛穩(wěn)定性和平順性，防止發(fā)生過大的側(cè)傾。其制造材料現(xiàn)大多采用中碳合金鋼，通過淬火+中溫回火得到回火屈氏體，硬度在45 HRC左右，以獲得較高的強(qiáng)度和一定的韌性[1-3]。

某汽車新設(shè)計(jì)一款鋼制空心穩(wěn)定桿，材料為34MnB5鋼，在道路耐久試驗(yàn)中短里程發(fā)生了多例斷裂失效，斷裂部位如圖1所示。該穩(wěn)定桿生產(chǎn)工藝主要為成型→淬火→中溫回火→精整→噴丸→表面處理。為查明穩(wěn)定桿斷裂原因，防止類似失效再次發(fā)生，筆者對失效件進(jìn)行了檢測和分析。

圖1 失效零件Fig.1 The failed part

圖3 清洗后斷口的宏觀形貌(a)區(qū)域1；(b)區(qū)域2；(c)區(qū)域3Fig.3 Macro-morphologies of the fractures after cleaning(a) area 1; (b) area 2; (c) area 3

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

穩(wěn)定桿斷裂發(fā)生在折彎處，此處屬于應(yīng)力集中最大區(qū)域。失效件的宏觀斷口形貌如圖2所示。整個(gè)斷裂面可以分為上下兩個(gè)區(qū)域：下半部分的非瞬斷區(qū)和上半部分的瞬斷區(qū)，且非瞬斷區(qū)和瞬斷區(qū)的面積接近，其中非瞬斷區(qū)斷裂面較平，無明顯塑性變形，表面有銹蝕，而瞬斷區(qū)呈45°的剪切斜面。

圖2 失效件的宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of the failed part

1.2 斷口分析

將失效件的斷口進(jìn)行清洗，利用體視顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行觀察。其中非瞬斷區(qū)區(qū)域1宏觀形貌平坦，并伴有小刻面狀特征，如圖3(a)所示。非瞬斷區(qū)末端區(qū)域2和區(qū)域3宏觀形貌可見海灘紋，為疲勞開裂特征，見圖3(b, c), 這是在交變載荷作用下，裂紋擴(kuò)展形成的。

啟裂區(qū)域1微觀形貌如圖4(a)所示，主要為冰糖狀沿晶特征，為脆性斷裂，與宏觀形貌特征相吻合。區(qū)域2和區(qū)域3微觀形貌有明顯疲勞輝紋，如圖4(b)所示。區(qū)域4為瞬斷區(qū)，微觀形貌為韌窩，如圖4(c)所示。

圖4 斷口不同區(qū)域的微觀形貌 (a)起裂區(qū)，沿晶形貌；(b)過渡區(qū)，疲勞輝紋;(c)瞬斷區(qū), 韌窩形貌Fig.4 Micro-morphologies of the fracture in different zones(a) crack initiation zone, intergranular morphology; (b) transition zone, fatigue striation; (c) transient fracture zone, dimple morphology

基于斷口檢測結(jié)果，可以判斷，穩(wěn)定桿先脆性開裂，以沿晶為主，然后在交變載荷下向兩邊疲勞擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，承載面積變小后，最后發(fā)生過載斷裂。

掃描電鏡下觀察區(qū)域1斷口形貌，可以發(fā)現(xiàn)靠近外表面區(qū)域局部有細(xì)小的剪切區(qū)，如圖5所示。一般情況下，剪切區(qū)是裂紋擴(kuò)展后期斷裂形成的，因此還可以判斷開裂主要方向是從內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)展的。

圖5 區(qū)域1斷口宏觀形貌Fig.5 Macro-morphology of the fracture of the area 1

圖6 斷口內(nèi)側(cè)(a)和外側(cè)(b)的次表面能譜分析結(jié)果Fig.6 EDS results of inner(a) and outer(b) subsurface of the fracture

穩(wěn)定桿表面處理會(huì)經(jīng)過磷化和粉末噴涂。對穩(wěn)定桿斷裂面內(nèi)外側(cè)次表面進(jìn)行能譜檢測，其結(jié)果如圖6所示。在斷裂面的內(nèi)外次表面均未檢測到磷化處理的特征元素P和粉末噴涂的特征元素Ba[4-5]，由此可見，在磷化和噴粉時(shí)，穩(wěn)定桿未出現(xiàn)斷裂。

1.3 理化檢測

采用布魯克光電直讀光譜儀和威爾遜洛氏硬度計(jì)對失效件進(jìn)行化學(xué)成分分析和硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表1和表2 所示。檢測結(jié)果均符合要求值。

表1 失效件化學(xué)成分分析結(jié)果與技術(shù)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 失效件硬度試驗(yàn)結(jié)果與技術(shù)要求(HRC)

失效件沿軸向剖開制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液(體積分?jǐn)?shù))侵蝕。利用ZEISS Axioimager A2M光學(xué)顯微鏡觀察，可以觀測到內(nèi)外表面均無脫碳，顯微組織為回火屈氏體，如圖7所示，符合技術(shù)要求。

圖7 失效件顯微組織Fig.7 Microstructure of the failed part

2 分析及討論

通過上述檢測結(jié)果，從斷口形貌來看，穩(wěn)定桿先發(fā)生大面積的脆性斷裂，以沿晶為主，然后在工作載荷下在較小范圍內(nèi)疲勞擴(kuò)展，最后發(fā)生過載剪切斷裂。查找初始脆性斷裂原因是分析此次失效的最重要一環(huán)，而沿晶脆性斷裂類型有很多，包括：應(yīng)力腐蝕、淬火開裂、延遲開裂等[6-8]。

應(yīng)力腐蝕斷裂必須有腐蝕介質(zhì)的存在，而穩(wěn)定桿開裂是從內(nèi)側(cè)起源，同時(shí)內(nèi)部又是密封，不存在腐蝕介質(zhì)，因此應(yīng)力腐蝕引起開裂的可能性較小，斷口表面的銹蝕應(yīng)該是失效后發(fā)生的腐蝕。

穩(wěn)定桿通過通電加熱，又有紅外測溫，如果溫度出現(xiàn)異常，無法進(jìn)行淬火操作。同時(shí)，多次淬火溫度和介質(zhì)的模擬試驗(yàn)也未能再現(xiàn)開裂的情形。此外，如果是淬火開裂，斷裂面在后續(xù)工序經(jīng)過磷化和粉末噴涂處理時(shí)，斷口上會(huì)殘留P元素和Ba元素，而基于能譜檢測結(jié)果來看，斷裂面并未檢測到這些特征元素，因此斷裂是發(fā)生在穩(wěn)定桿加工完成之后，所以不會(huì)是淬火開裂。

延遲斷裂，又稱滯后斷裂，是指材料在靜應(yīng)力作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的一種現(xiàn)象。其影響因素主要有：①材料強(qiáng)度，一般認(rèn)為抗拉強(qiáng)度超過1000 MPa，硬度大于40 HRC的零件就具有延遲斷裂傾向，材料強(qiáng)度越高，延遲斷裂敏感性越高；②微觀組織一般為馬氏體組織或其回火不充分的組織，這種組織延遲斷裂敏感性更強(qiáng)；③成形加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這也會(huì)增加延遲斷裂敏感性；④環(huán)境，如在含有H2、H2S氣體、水介質(zhì)等環(huán)境下服役，或者制造過程中酸洗、電鍍和焊接中滲入氫[9-10]。

進(jìn)一步調(diào)查零件生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，該批試驗(yàn)件熱處理完成后沒有及時(shí)進(jìn)行表面處理，存放時(shí)間過久，表面銹蝕較多，供應(yīng)商未經(jīng)客戶同意，將零件進(jìn)行酸洗除銹。該穩(wěn)定桿熱處理后硬度47 HRC，有較高的延遲斷裂敏感性，工藝上應(yīng)該避免氫的引入，而實(shí)際加工過程卻經(jīng)過酸洗處理，這就會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定桿發(fā)生氫致延遲斷裂。

3 結(jié)論與建議

1) 失效穩(wěn)定桿先發(fā)生延遲開裂，然后在交變載荷的作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展，直至最后過載斷裂。延遲開裂的原因是由于穩(wěn)定桿熱處理后本身硬度較高，后又經(jīng)過酸洗，引入了氫，從而發(fā)生延遲斷裂。

2) 建議供應(yīng)商嚴(yán)格按照要求生產(chǎn)加工零件，尤其對于高強(qiáng)度零件，特別要注意避免氫的引入，如酸洗，電鍍等，從而避免發(fā)生延遲開裂。后續(xù)正常生產(chǎn)的穩(wěn)定桿再未發(fā)生該類型失效。