秦興祖,張 雯,蒯 振,周仁宇
Qin Xingzu,Zhang Wen,Kuai Zhen,Zhou Renyu
(北京汽車研究總院有限公司,北京 101300)
懸置系統(tǒng)作為汽車動(dòng)力總成的重要組成部分,具有彈性支撐動(dòng)力總成、隔離動(dòng)力總成對車身和懸架的擾動(dòng)、控制動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)以滿足駕駛室隔振要求等功能[1-3]。隨著汽車輕量化設(shè)計(jì)和應(yīng)用的發(fā)展,懸置支架的設(shè)計(jì)用材從鈑金和球墨鑄鐵變得更加多元,重力鑄造鋁合金和壓鑄鋁合金、半固態(tài)壓鑄鋁合金以及非金屬材料均得到應(yīng)用[4-6]。
某款車型的左懸置支架在壞路試驗(yàn)過程中出現(xiàn)斷裂失效問題,其材料牌號為A380,材料標(biāo)準(zhǔn)見ASTM B85/B85M[7]。為明確斷裂失效原因,使用直讀光譜儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀、金相顯微鏡和布氏硬度計(jì)對斷裂的左懸置支架進(jìn)行斷口形貌、金相組織、化學(xué)成分、布氏硬度等試驗(yàn)分析。
斷裂的左懸置支架零件照片如圖1(a)所示,斷裂發(fā)生在頸部位置,主斷面外觀形貌如圖1(b)所示,部分區(qū)域存在磨損現(xiàn)象。外觀檢驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn),橡膠以及零件其他部位也存在磨損現(xiàn)象。根據(jù)磨損痕跡以及橡膠磨損區(qū)域表面分布的鋁屑推斷,磨損是由零件斷裂之后的相互錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致。
圖1 斷裂的左懸置支架
使用體式顯微鏡對主斷面進(jìn)行宏觀形貌檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在距離零件表面較近的位置,存在一塊邊界比較清晰的圓形區(qū)域,如圖2 所示,金屬零件斷裂無論是疲勞還是過載,均不會在斷面上產(chǎn)生此種現(xiàn)象,此為非正常現(xiàn)象,在后續(xù)斷口SEM(Scanning Electron Microscope,掃描電子顯微鏡)和EDS(Energy Dispersive Spectroscopy,能譜儀)檢驗(yàn)中會重點(diǎn)關(guān)注。
圖2 主斷面體式顯微鏡形貌
斷口宏觀照片如圖3(a)所示,通過掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行微觀形貌檢驗(yàn),將斷口分為3個(gè)典型區(qū)域,A、B、C 區(qū)域分別對應(yīng)裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和過載瞬斷區(qū),圖中標(biāo)線為疲勞擴(kuò)展區(qū)與過載瞬斷區(qū)的分界線。
圖3 失效件斷口SEM 和EDS 檢驗(yàn)
裂紋源區(qū)即為外觀檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的異?,F(xiàn)象位置,其微觀SEM 形貌如圖3(b)所示,整個(gè)區(qū)域沒有斷裂造成的斷口形貌特征。為確認(rèn)裂紋源的產(chǎn)生原因,對其進(jìn)行EDS 檢驗(yàn),結(jié)果顯示該區(qū)域除含有正常的Al、Si、Cu、Fe 元素之外,還存在較多Ca、C、O 元素雜質(zhì),如圖3(c)所示。由此,根據(jù)SEM 和EDS 檢驗(yàn)結(jié)果確認(rèn),該裂紋源是鑄造過程中產(chǎn)生的夾雜物缺陷。
疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀SEM 形貌如圖3(d)所示,微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為帶有褶皺的粗糙表面,這是零件在壞路試驗(yàn)過程中受交變載荷作用裂紋擴(kuò)展形成的一種斷口特征。
過載瞬斷區(qū)的微觀SEM 形貌如圖3(e)所示,微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為光滑表面的準(zhǔn)解理形貌,這是零件在壞路試驗(yàn)過程中疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度不能承受試驗(yàn)過程中載荷而發(fā)生瞬時(shí)過載斷裂形成的一種斷口特征。
在疲勞擴(kuò)展區(qū)和過載瞬斷區(qū)的斷口表面均可發(fā)現(xiàn)縮孔存在,其微觀SEM 形貌表現(xiàn)為存在大量光滑表面的球形形貌,如圖3(f)所示,這是由鑄造過程中液體補(bǔ)縮不足形成縮孔導(dǎo)致。
沿垂直于斷面方向取樣進(jìn)行金相制樣,打磨拋光后使用0.5%氫氟酸溶液進(jìn)行浸蝕,斷面位置的金相組織和心部的金相組織照片如圖4 所示。金相組織為α 鋁+(α 鋁+硅)共晶+初晶硅,這是正常的鑄造鋁合金組織。金相檢驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)斷面位置及心部位置均存在縮孔,這與斷口SEM 檢驗(yàn)結(jié)果相同。
圖4 失效件金相組織
使用直讀光譜儀對斷裂的左懸置支架進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn),結(jié)果見表1,各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合設(shè)計(jì)材料標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%
使用布氏硬度計(jì)對斷裂的左懸置支架進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果為90.7 HBW2.5/62.5,符合設(shè)計(jì)材料標(biāo)準(zhǔn)要求(≥85 HB)。
針對某款車型路試過程中鋁合金左懸置支架斷裂問題,通過對問題部件進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、斷口形貌檢驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)、化學(xué)成分和硬度檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分、布氏硬度和金相組織的檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和過載瞬斷區(qū),具有典型的疲勞斷裂特征,裂紋源為鑄造過程中產(chǎn)生的夾雜物缺陷,試驗(yàn)過程中以此為裂紋源發(fā)生疲勞開裂并擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展至零件剩余截面,當(dāng)不能承受試驗(yàn)過程中的載荷時(shí)發(fā)生了瞬時(shí)過載斷裂。
建議對鋁合金左懸置支架的鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn),對可能引入夾雜物的步驟進(jìn)行排查優(yōu)化,包括檢測鋁液清潔度、探查澆注濾網(wǎng)是否有缺陷等;此外針對夾雜物、縮孔等鑄造缺陷,引入工業(yè)CT(Industrial Computerized Tomography,工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù))檢驗(yàn)也是一項(xiàng)選擇。