汽車右前支柱活塞桿斷裂失效分析

■邱世洵

1. 基本情況

某公司生產(chǎn)的微型汽車右前支柱活塞桿（以下簡(jiǎn)稱活塞桿）采用45鋼制造。其主要工藝流程為：來(lái)料確認(rèn)→荒磨→淬火+回火→粗磨→車端面→滾螺紋→校直→精磨→成品。

本次送檢的一件活塞桿，裝車進(jìn)行6k m路試過(guò)程中，在搓衣板狀路面以24km/h行駛時(shí)，聽(tīng)到斷裂聲，檢查發(fā)現(xiàn)右前支柱總成變形，經(jīng)拆解后查看到活塞桿斷裂（見(jiàn)圖1箭頭所指處），按設(shè)計(jì)使用要求，不允許出現(xiàn)這種斷裂現(xiàn)象。

2. 檢驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果

（1）宏觀檢查 對(duì)斷裂活塞桿斷口面觀察可發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖2），圓周縱深約1mm的區(qū)域斷面齊平，而其他區(qū)域表現(xiàn)為巖石狀的多面體外形，有較強(qiáng)的立體感，這是由于金屬晶粒是多面體所致；另外從斷面的撕裂棱走向及磨損情況看，可確定活塞桿斷裂自左上端開(kāi)始，并向下端擴(kuò)展，直至完全破斷。由于斷口附近無(wú)縮頸現(xiàn)象，邊緣無(wú)剪切唇，故宏觀顯現(xiàn)為彎曲脆性斷口特征。

（2）化學(xué)成分 對(duì)斷裂活塞桿進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。可知，所檢元素含量與GB/T699—1999標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的45鋼化學(xué)成分范圍。

（3）金相檢驗(yàn) 軸向剖開(kāi)斷裂活塞桿（見(jiàn)圖2），制備金相試樣。試樣先在未侵蝕情況下進(jìn)行顯微組織觀察，試塊中的夾雜物含量按標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561—2005評(píng)定夾雜物為：硫化物類A0級(jí)、氧化鋁類B0 級(jí)、硅酸鹽類C1級(jí)、環(huán)狀氧化物類D1級(jí)，故斷裂活塞桿的夾雜物級(jí)別較低。

圖1 斷裂活塞桿的宏觀狀態(tài)

圖2 斷裂活塞桿的斷口形貌

圖3 斷口處外圓周區(qū)裂紋特征（50×）

圖4 斷口處外圓周區(qū)基體組織（50×）

圖5 斷口處原始組織區(qū)裂紋特征（50×）

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

接著觀察對(duì)比經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕前后的形貌組織特征發(fā)現(xiàn)，活塞桿外圓周部位裂紋擴(kuò)展的相對(duì)平緩（見(jiàn)圖3箭頭所指處），裂紋擴(kuò)展平緩區(qū)屬感應(yīng)淬火區(qū)（見(jiàn)圖4）；過(guò)了感應(yīng)淬火區(qū)是4 5鋼的原始組織區(qū)，此時(shí)裂紋擴(kuò)展起伏變化較大，表現(xiàn)以沿晶斷裂為主（見(jiàn)圖5），且看到的原始組織區(qū)組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，此種組織約占活塞桿截面面積的80%。另依據(jù)GB/T13299—1991標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定魏氏組織為1級(jí)；同時(shí)可見(jiàn)裂紋沿網(wǎng)狀鐵素體擴(kuò)展的痕跡（見(jiàn)圖6）。

再對(duì)斷裂活塞桿外表層淬回火組織區(qū)域察看（見(jiàn)圖7），組織按JB/T9204—2008標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為較細(xì)馬氏體4級(jí)，屬標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格級(jí)別范圍。盡管此處的淬回火組織合格，但僅占活塞桿截面面積較小部分，因此對(duì)增強(qiáng)活塞桿承載強(qiáng)度只起到極為有限的作用，而活塞桿外表層經(jīng)淬回火處理主要是為提高表面硬度，從而改善耐磨性能。

（4）性能檢測(cè) 在斷裂活塞桿上截取試塊，實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，所檢斷裂活塞桿淬火表面硬度在技術(shù)參數(shù)值規(guī)定范圍，而硬化層深度略低于技術(shù)參數(shù)規(guī)定的下限值。

（5）斷口微觀檢查 用掃描電鏡對(duì)活塞桿斷裂部位進(jìn)行觀察，圓周縱深約1mm的淬火區(qū)域斷面平緩且有顯微孔洞，過(guò)渡到原始組織區(qū)時(shí)，可見(jiàn)明顯的晶粒多面體外形及其晶粒剝離后形成的孔洞（見(jiàn)圖8）；繼續(xù)提高放大倍數(shù)觀察可發(fā)現(xiàn)，圓周平緩區(qū)也出現(xiàn)沿晶斷裂形貌，這說(shuō)明原始網(wǎng)狀組織雖經(jīng)淬回火處理，但對(duì)晶間弱化的作用還未能消除，仍保留網(wǎng)狀組織的遺傳性，且此斷面間存在相互摩擦的痕跡（見(jiàn)圖9箭頭所指處），也表明該區(qū)域?yàn)橄葦嗔褏^(qū)。

而除圓周平緩區(qū)外的原始組織區(qū)，沿晶分離斷裂破壞呈現(xiàn)的更加明顯（見(jiàn)圖10），局部還出現(xiàn)河流花樣的解理斷裂形貌及二次裂紋（見(jiàn)圖11箭頭所指處），故活塞桿斷裂屬沿晶+解理微觀斷裂機(jī)理。

圖6 斷口處原始組織區(qū)基體組織（100×）

圖7 活塞桿外表層淬火回組織（400×）

圖8 斷裂活塞桿微觀組織（100×）

圖9 斷裂活塞桿微觀組織（3000×）

圖10 除平緩區(qū)外斷裂活塞桿微觀組織（100×）

圖11 斷裂活塞桿微觀組織（1000×）

表2 表面硬度及硬化層深度

3. 結(jié)果分析

宏觀檢查斷裂活塞桿表現(xiàn)為彎曲脆性斷裂特征。

所檢元素含量與標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的45鋼化學(xué)成分范圍。

金相檢驗(yàn)表明，經(jīng)淬火+回火后圓周表層基體組織為較細(xì)馬氏體4級(jí)，說(shuō)明活塞桿淬火+回火工藝合適；除表層淬火+回火區(qū)域外，其余區(qū)域的原始組織區(qū)為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體；活塞桿斷裂自圓周外表面應(yīng)力集中起裂，并以較快的速度迅速擴(kuò)展至整個(gè)斷面而破斷。

性能檢測(cè)顯示，所檢斷裂活塞桿淬火表面硬度，屬技術(shù)參數(shù)值規(guī)定范圍，而硬化層深度略低于技術(shù)參數(shù)規(guī)定的下限值。

用掃描電鏡檢測(cè)活塞桿斷裂部位，可見(jiàn)明顯的晶粒多面體沿晶形貌及其晶粒剝離后形成的孔洞，并出現(xiàn)河流花樣的解理斷裂形貌，因此活塞桿斷裂屬沿晶斷裂為主，并結(jié)合解理斷裂的混合脆性斷裂機(jī)理。

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果，活塞桿基體組織中約80%截面區(qū)域出現(xiàn)沿晶界析出的網(wǎng)狀鐵素體組織，分離基體界面，降低活塞桿的有效承載強(qiáng)度，導(dǎo)致活塞桿承受彎曲載荷時(shí)，在活塞桿表層的應(yīng)力集中區(qū)起裂，然后裂紋迅速擴(kuò)展直至完全破斷。

4. 建議

加強(qiáng)對(duì)活塞桿熱處理工藝的嚴(yán)格控制和對(duì)材料組織進(jìn)行監(jiān)控，及早發(fā)現(xiàn)異常組織并處理。