一種重卡管狀橫梁斷裂的失效分析及改善方法

謝劍波，魏忠宣，萬 飛，張 敏，王棋龍，王 真，張新偉

(上汽依維柯紅巖商用車有限公司，重慶 401122)

目前，國內生產的許多重型卡車還是沿用斯太爾的技術，發動機前懸置依然采用管狀橫梁的方式。隨著重卡承載能力的提高，復雜路面對車架的扭轉逐漸增加，管狀橫梁出現斷裂的現象頻發。許多技術人員都致力于如何改善與加固現有的管狀橫梁，而沒有從根源上找到管狀橫梁斷裂的真正原因。

1 影響管梁斷裂的原因

1.1 循環載荷下的高周疲勞失效

經過分析，斷裂原因主要是循環載荷下的高周疲勞失效。

該管狀橫梁支耳與發動機本體連接，承受通過輪胎從地面反饋回來的激蕩，隨之承受的載荷是時間和地形的變化相互共同作用的。這里談的是該管狀橫梁支耳承受發動機本體振源，而遭受高周疲勞失效的過程。當地面平穩時，發動機工況穩定，載荷以發動機1 個工作循環為1 個周期高頻地變化，該管狀橫梁支耳的應力也周期性變化(“交變”)，隨著地面地形的不同，發動機工況也對應不同的應力循環。

在高頻變化的應力作用下，管狀橫梁及支耳的焊接部位可能發生“高頻疲勞”失效，其特點是:①零件的應力水平并不高，一般都低于材料的屈服極限;②發生疲勞斷裂之前經歷過的應力循環次數高達幾十萬～幾百萬次;③起因是零件的某一應力集中部位有些最弱的晶粒抵抗不住交變應力而形成微裂裂紋，然后裂紋逐漸擴展，到一定程度后突然斷裂;④斷口明顯地分成光滑的裂紋擴展區和粗糙的瞬時斷裂區。

1.2 材料的屈服應力不能滿足實際使用要求

該管狀橫梁的材料為Q235，屈服強度不低于235 MPa，抗拉強度(σb)為375 ～500 MPa，彈性模量(E)為200 ～210 GPa，泊松比(ν)為0.25 ～0.33，伸長率(δ)為5%。

1.3 焊接工藝對結構的影響

通過對Q235 鋼板及焊接接頭的金相組織分析可以看出以下幾點。

1)焊縫金屬的顯微組織為柱狀晶分布，晶界處為鐵素體，晶內為素氏體和針、塊狀分布的鐵素體，冷卻時由于向外散熱，使焊縫的熔融金屬沿熱擴散方向結晶而獲得柱狀晶，此時先析的鐵素體沿柱狀晶界析出，由于溫度較高，且冷速又稍快，因此組織呈過熱特征，但隨后的冷卻過程中，奧氏體因為冷卻度較大，而轉變為素氏體組織。

2)過熱區的顯微組織為針狀或塊狀分布的鐵素體和索氏體，此處晶粒粗大，呈魏氏組織，這是由于該區加熱溫度高，奧化體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使沖擊韌性降低。

3)重結晶區，組織為晶粒細小的鐵素體和珠光體，由于加熱溫度超過了AC3，所以鐵素體和珠光體已經全部轉化為奧化體，又由于加熱溫度較低(一般低于1 100 ℃)，奧氏體晶粒未顯著長大，因此在空氣中冷卻后會得到均勻而細小的鐵素體和珠光體。

4)母材的顯微結構組織，鐵素體和珠光體呈帶狀。從金相組織可以看出，過熱區形成了魏氏組織，容易產生脆化，構成了接頭的薄弱環節，這時需要以小線能量焊接，在過熱區獲取板條馬氏體，韌性會大大改善。

5)如果該焊接區域加熱溫度高，奧化體晶粒會顯著長大，則冷卻后會得到粗大的過熱組織(魏氏組織)，使沖擊韌性降低。

2 分析與計算

根據前面對管狀橫梁斷裂的原因分析，來判斷造成斷裂的主要原因和改善方法。

2.1 循環載荷下的高周疲勞失效

在高頻變化的應力作用下，管狀橫梁及支耳的焊接部位可能發生“高頻疲勞”失效，其特點如下。

1)零件的應力水平并不高，一般都低于材料的屈服極限;

2)發生疲勞斷裂之前經歷過的應力循環次數高達幾十萬～幾百萬次;

3)起因是零件的某一應力集中部位有些最弱的晶粒抵抗不住交變應力而形成微裂裂紋，然后裂紋逐漸擴展，到一定程度后突然斷裂;

4)斷口明顯地分成光滑的裂紋擴展區和粗糙的瞬時斷裂區。

下面分析標準材料試件的疲勞極限。其應力循環可用以下參數表征:最大應力σmax，最小應力σ，應力幅σ 和應力比(又稱“循環特征系數”)r。他們之間的關系是:

對于1 組標準的材料試件，以一定的應力比r 和不同的σa進行試驗，可以得出有規律的“疲勞曲線”。對于黑色金屬來說，發生“疲勞極限”時的循環基數一般要大于107。

但實際零件的疲勞極限要低于材料標準試樣的疲勞極限。這是由于在零件中存在一些應力集中處，例如圓角、鉆孔、焊接應力等，使零件的截面突然變化而出現應力集中，容易形成疲勞裂紋源。零件的尺寸一般大于材料標準試樣，而尺寸大的零件在表面拉應力相同的情況下，從表層到中心的應力梯度小，處于高應力區的體積大，出現微裂紋的概率也要大些。零件表面狀態不同于標準光滑試樣，可能有加工或者焊接之后的損傷，可能暴露于腐蝕的介質，因此出現疲勞裂紋的幾率很大。

管狀橫梁總成在整車運行的過程中并不是只在一種交變載荷下工作，而是交替地承受多種循環載荷的作用，因此出現疲勞裂紋的幾率更大。

前面所述的安全判據的前提是假設零件不存在任何缺陷，而實際零件在毛坯、鑄鍛、熱處理、機械加工乃至運輸裝配過程中都不可避免會帶來一些表面或內部的缺陷(如氣孔、夾渣、裂紋、刀痕、碰痕等)。在外力作用下，從這些缺陷處或者應力集中處開始形成微裂紋。裂紋在外力繼續作用下有可能擴展，直至斷裂。具有裂紋的零件往往在其宏觀應力還小于屈服極限時會突然斷裂，稱為低應力脆斷。高強度材料制件和低工作溫度下的零件更容易發生這種低應力脆斷。厚截面和高應變速率也會助長低應力脆斷傾向。

2.2 材料的屈服應力不能滿足實際使用要求

其模型見圖1。

圖1 模型

根據實物實際斷裂的地方(見圖2)，計算最大應力。

圖2 實物實際斷裂處

車架整體扭轉3°時的最大應力基本在200 MPa 左右，見圖3。

圖3 車架整體扭轉3°時的最大應力

車架整體扭轉5°時的最大應力基本在300 MPa 左右，見圖4。

圖4 車架整體扭轉5°時的最大應力

根據應力分析可以看出，當車輛在大扭曲路面行駛時，管狀橫梁處受到的應力最大，用Q235 的材料不能滿足使用要求，容易引起疲勞破壞。

2.3 焊接工藝對結構的影響

應力腐蝕只有在特定的環境下才能發生，他具有以下一些特點:①只有存在應力(特別是拉應力)時，才能產生應力腐蝕裂紋。這種應力可以是外加應力，或是焊接和加T 過程中引入的殘余應力，也可以是腐蝕產物的楔入作用而引起的擴張應力。②應力腐蝕斷裂是一種與時間有關的滯后破壞，這和氫滯后開裂完全類似。③應力腐蝕開裂是一種低應力脆性斷裂。

該管狀梁一般出現斷裂的部位在發動機著力點上，焊接直板時熱影響區域較大，使局部材質的應力發生變化，因此才出現了軸向方向的垂直斷裂。

發生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構造縫隙，或相當于構造縫隙的未透焊縫。構造焊縫相當于狹長的裂紋，造成高度的應力集中，焊縫則造成高額殘余拉應力并使近旁金屬因熱塑變形而時效硬化，增大脆性。低溫地區結構的構造細部應該保證焊縫能夠焊透。

3 結論

1)應對循環載荷下的高周疲勞失效。根據隔振理論的知識，只有當系統固有頻率小于激勵頻率的1/2 時，才有較好的隔振效果，在多項隔振中同樣要遵循這一原則。而對于動力總成懸置系統，垂向振動主要是受到2 階往復慣性力的作用，繞扭矩軸的旋轉運動主要是受到激振力矩的作用，故在進行發動機懸置設計時，應將懸置系統這2 個方向的固有頻率控制在17 Hz 以下。

2)應對材料的屈服應力。需要根據CAE 分析結論選擇合適的材料，安全系數=材料的屈服強度/分析最大值，推薦在將來的設計中應該≥2。

3)應對焊接工藝對結構的影響。焊接后熱處理可以有效降低焊接殘余應力，并且熱處理溫度越高，殘余應力消除效果越好。焊后熱處理還可有效提高焊接鋼管的抗應力腐蝕能力，后熱處理的溫度越高，抗應力腐蝕能力提高越顯著。

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