汽車前空心穩(wěn)定桿斷裂分析

宋文斌，郭秋彥，姜發(fā)同，劉旭亮，喬蒙

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

懸架系統(tǒng)采用空心穩(wěn)定桿是近年來部分OEM 在實(shí)施輕量化減重時(shí)考慮的一個(gè)重要方案，其可獲得（30～45）%的減重效果，因此空心穩(wěn)定桿成為目前穩(wěn)定桿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。綜合減重比、布置空間及成本三方面因素考慮，C、D 級大型SUV 或MPV 車型使用空心穩(wěn)定桿具有較高的性價(jià)比，大型SUV 因?yàn)檐囍剌^大及對越野性能的追求，空心穩(wěn)定桿會(huì)承受更大的應(yīng)力，同時(shí)，空心穩(wěn)定桿應(yīng)力是隨著重量減輕率的增大而增大[2]，為保證車輛在行駛過程中的安全性和可靠性，對空心穩(wěn)定桿的材料性能、后處理工藝等提出了更高的要求。

1 失效描述

某C 級SUV 車型前穩(wěn)定桿在綜合循環(huán)耐久路試2 萬公里時(shí)斷裂失效，穩(wěn)定桿使用34MnB5 無縫鋼管制造，公稱壁厚7 mm，整體采用冷彎成型后進(jìn)行淬火及中溫回火處理，隨后對兩端端頭進(jìn)行加熱鍛壓封閉并經(jīng)過二次回火處理。有限元應(yīng)力分析結(jié)果顯示，使用經(jīng)過淬火及中溫回火處理后34MnB5 材料性能可滿足各工況下穩(wěn)定桿承受的應(yīng)力，初步懷疑穩(wěn)定桿斷裂是由于其存在質(zhì)量缺陷導(dǎo)致，本文通過檢測分析及對影響穩(wěn)定桿質(zhì)量的各關(guān)鍵要素排查后尋找出穩(wěn)定桿斷裂失效的原因，并提出改進(jìn)措施。

2 檢驗(yàn)分析

2.1 理化檢測及分析

1）化學(xué)成分分析

在斷裂件取樣后進(jìn)行化學(xué)成分分析，各組分含量滿足技術(shù)要求，見表1。

表1 34MnB5 成分技術(shù)要求及實(shí)測值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2）金相組織檢測

在同批次原材料上取樣進(jìn)行金相組織檢測，整個(gè)截面均為帶狀組織，評定級別為3 級，具體見圖1。

圖1 原材料金相圖

在斷裂件斷口位置取樣進(jìn)行金相組織分析，同一截面上存在兩種組織，靠近管壁外側(cè)為回火屈氏體圖2（a），靠近管壁內(nèi)側(cè)為帶狀組織及回火屈氏體圖2（b），其中帶狀鐵素體為不允許出現(xiàn)的異常組織。

圖2 金相組織檢測分析圖

3）硬度檢測

穩(wěn)定桿本體洛氏硬度要求（42～48）HRC，將金相試樣處理后進(jìn)行硬度檢測，靠近管壁外側(cè)硬度值為45 HRC，靠近管壁內(nèi)側(cè)處為33 HRC，管壁內(nèi)側(cè)硬度值不滿足技術(shù)要求，印證了金相組織分析結(jié)果，有帶狀鐵素體存在的區(qū)域硬度遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。

2.2 斷口分析

對斷口進(jìn)行宏觀及微觀形貌分析，為便于分析與記錄，將斷裂區(qū)分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，斷裂位置及斷面宏觀形貌見圖3。

圖3 穩(wěn)定桿斷裂位置及斷口宏觀形貌圖

將斷裂穩(wěn)定桿剖開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁銹蝕嚴(yán)重，在Ⅰ區(qū)管壁內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)多處坑洞缺陷，其中一處坑洞正好處在斷口處，坑洞相比其他區(qū)域銹蝕程度更為嚴(yán)重，坑洞無明顯尖銳角（圖4），排除其是斷裂后磕碰所致。

圖4 Ⅰ區(qū)坑洞缺陷

對Ⅱ區(qū)有明顯從Ⅰ區(qū)內(nèi)壁開始的放射條紋部位進(jìn)行微觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)存在沿晶斷裂圖5（a）、圖5（b）的特征。

圖5 沿晶斷裂圖

Ⅲ區(qū)在管壁外側(cè)均存在有撕裂棱，表明此區(qū)域?yàn)樽詈髷嗔训膮^(qū)域，在Ⅲ區(qū)C 處發(fā)現(xiàn)數(shù)量較少的韌窩（圖6）。Ⅲ區(qū)B 斷面復(fù)雜，呈現(xiàn)多個(gè)方向撕裂的特征，表明在此區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)已發(fā)生了很大的變化，為最后斷裂處。

圖6 Ⅲ區(qū)C 處韌窩

建立有限元模型，兩端卡箍處約束，端頭處施加相反方向的靜載荷，采用Abaqus 非線性分析，最后結(jié)果表明斷裂起始位置為應(yīng)力集中處（圖7）。

圖7 斷裂處應(yīng)力云圖

綜合分析后認(rèn)為，穩(wěn)定桿斷裂初始位置在應(yīng)力集中的缺陷部位，最后在沖擊、扭轉(zhuǎn)等載荷作用下斷裂。

3 分析及討論

通過理化檢測及分析結(jié)果，從以下三個(gè)方面就穩(wěn)定桿斷裂失效的原因進(jìn)行論述：

3.1 原材料性能及質(zhì)量

對整個(gè)制造過程進(jìn)行追溯后發(fā)現(xiàn)，原材料空心管在進(jìn)行光亮退火處理時(shí)保溫時(shí)間短，致使原材料鋼管中存在大量的帶狀組織。帶狀組織造成了鋼的各向異性，降低了力學(xué)性能、切削性能、塑性成形性能和淬透性，淬火后易形成混晶組織和非馬氏體組織[3]。

穩(wěn)定桿斷裂位置處于應(yīng)力集中的部位，存在的缺陷會(huì)加劇此處的應(yīng)力集中程度并加大應(yīng)力。坑洞缺陷來源于原材料鋼管本身，在原材料制造過程中，由于鋼錠坯料尺寸偏小導(dǎo)致減徑量減少，拉拔次數(shù)少致使凹坑缺陷不能完全去除，后續(xù)渦流探傷的靈敏度不夠，導(dǎo)致缺陷材料放行。

3.2 熱處理工藝

空心穩(wěn)定桿采用兩端電極加熱的方式，為保證穩(wěn)定桿所有區(qū)域最后均熱至900 ℃，通過不同的加熱時(shí)段及調(diào)整電流大小達(dá)到既定的溫度，由于空心穩(wěn)定桿彎曲部位的截面為半橢圓形，壁厚不一，在淬火加熱時(shí)間較短的情況下壁厚較大的部位沒有達(dá)到既定的溫度，導(dǎo)致材料沒有完全奧氏體化，原材料中的帶狀組織在淬火后沒有完全消除，帶狀組織的存在導(dǎo)致穩(wěn)定桿硬度降低，硬度降低則表示材料強(qiáng)度及疲勞壽命的下降。

晶界是材料強(qiáng)化的重要因素，只有在晶界弱化的條件下才會(huì)發(fā)生沿晶斷裂。沿晶斷裂通常是與一定的熱處理、環(huán)境,或應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)[4]，根據(jù)穩(wěn)定桿斷裂形貌特征及斷裂環(huán)境，排除應(yīng)力腐蝕開裂、高溫沿晶開裂。由于Mn 元素會(huì)將發(fā)生第一類回火脆性的溫度向上推移，而前穩(wěn)定桿回火溫度為350 ℃，推斷是由于穩(wěn)定桿回火溫度偏高造成第一類回火脆性。北京科技大學(xué)程俊業(yè)等人對與34MnB5 相近的30MnB5 回火后的組織及性能進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，30MnB5 在300 ℃回火后強(qiáng)度及強(qiáng)塑積等綜合性能達(dá)到了一個(gè)較高的水平[5]。我們認(rèn)為34MnB5 也應(yīng)在低于350 ℃的溫度下進(jìn)行回火處理，避免產(chǎn)生第一類回火脆性，獲得最優(yōu)的綜合力學(xué)性能。

3.3 防腐處理

原材料采用光亮退火處理，并涂有防銹油進(jìn)行保護(hù)，在制造過程中也沒有銹蝕產(chǎn)生的誘因，因此穩(wěn)定桿兩端端口在墩鍛閉合后未進(jìn)一步密封處理，水汽等腐蝕介質(zhì)浸在路試過程中浸入導(dǎo)致空心管內(nèi)產(chǎn)生銹蝕。有分析認(rèn)為，隨著穩(wěn)定桿強(qiáng)度和應(yīng)力的提高，由應(yīng)力腐蝕斷裂導(dǎo)致的失效也逐漸增多[6]，由于在穩(wěn)定桿斷口處未發(fā)現(xiàn)有二次沿晶裂紋，因此，排除此次斷裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂。銹蝕會(huì)在自然條件下蔓延擴(kuò)展，尤其是在穩(wěn)定桿內(nèi)壁存在坑洞的缺陷下，銹蝕會(huì)加速擴(kuò)展，導(dǎo)致穩(wěn)定桿疲勞性能的下降。

4 結(jié)論及改善措施

4.1 結(jié)論

此次路試車前穩(wěn)定桿斷裂的原因是多方面的：①斷裂部位處在穩(wěn)定桿彎曲的應(yīng)力集中部位，存在的坑洞缺陷加劇了此處了應(yīng)力集中程度，并加大了此處的應(yīng)力，屬于疲勞斷裂源區(qū)；②原材料中存在帶狀組織及熱處理工藝制定不合理，在隨后的成品中出現(xiàn)了不完全淬火組織導(dǎo)致材料硬度降低；㈢回火溫度偏高導(dǎo)致材料回火脆性的問題；④銹蝕。

4.2 改善措施

1）原材料中存在帶狀組織，雖然這種纖維狀組織及織構(gòu)對穩(wěn)定桿冷彎成型有一定的好處，但需保證其等級低于2 級且在淬火時(shí)完全消除。延長淬火加熱時(shí)間使材料充分奧氏體化，可消除原材料中的帶狀組織，使硬度值滿足技術(shù)要求。

2）原材料存在坑洞缺陷，需在制造過程中避免，原材料鋼管須進(jìn)行渦流探傷檢測，并明確缺陷的接受級別，避免缺陷材料出廠。

3）降低回火溫度，將穩(wěn)定桿淬火后分別在300 ℃、325 ℃、350 ℃溫度下進(jìn)行回火處理，經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)，在300 ℃回火處理后強(qiáng)度及延伸率均滿足技術(shù)要求，材料的硬度顯著提高，同時(shí)獲得最大的沖擊吸收功，因此將穩(wěn)定桿回火溫度設(shè)定為300 ℃是最為合理的。

4）在穩(wěn)定桿兩端端口涂密封膠將空腔進(jìn)行封閉處理，防止腐蝕介質(zhì)浸入造成銹蝕。