乘用車左懸置連接支架的斷裂失效分析*

□ 黃兆東 □ 何自璋 □ 李 楠

江鈴控股有限公司 南昌 330052

1 研究背景

我國正在快速崛起的汽車產業，對有色金屬、鋼鐵、橡膠、塑料、玻璃、涂料等原材料工業，鑄、鍛、機加工、熱處理、焊、沖壓、油漆、電鍍、試驗、檢測等設備制造業，機械、電子、電器、化工、建材、輕工、紡織等配套產品和零部件，以及交通運輸業、能源工業、服務業等方面有巨大需求，從而推動了這些產業的快速發展［1］。顯然，汽車產業的振興能帶動諸多相關產業飛速發展，諸多相關產業的飛速發展又支撐著汽車產業的振興。

對于乘用車而言，左懸置連接支架是發動機與車身的重要連接件，可支承、固定發動機，并減少發動機傳遞給車身的振動。

由于左懸置連接支架在汽車行駛過程中承受較大的正應力和切應力，容易發生斷裂，因此其機械性能顯得尤其重要［2-3］。

對于連接支架的材料而言，鋁合金因質量輕、強度高、耐蝕性能好、加工性能好等優點被廣泛應用于汽車行業，因此連接支架的材料選用鋁合金。

一般而言，無論是什么樣的材料，始終都會存在一定的缺陷，在這一點上鋁及其合金也是不可避免的。大量實踐表明，材料在使用過程中都會存在一些微小的缺陷，如疏松、孔洞等，從而導致材料強度、剛度等一些性能下降，甚至造成材料破壞而發生斷裂現象。這些缺陷可能是材料本身固有的，也可能是在制造過程中加工造成的，亦或是在使用過程中由于疲勞而累積的損傷［4-7］，這些都表明零件材料本身內在質量的重要性，研究機械零件材質及其變化狀況是一個很重要的基礎性課題。

為了節省企業成本，同時給乘車人員提供乘用車行馳的安全保障，筆者以整車路試反饋的斷裂支架為研究對象，在不考慮支架受力大小的情況下，將支架受力情況作為一個黑箱看待，僅僅考察支架材料本身及變化狀況，對黑箱輸出的故障件進行較為全面的分析，如斷口宏觀分析、斷口微觀分析、金相顯微組織分析、材料化學成分分析、硬度性能測試及拉伸性能測試等。在理化試驗的基礎上，結合微觀斷口形貌和斷裂機理，與黑箱輸入的合格支架相比較，從而找出支架斷裂失效的根本原因，并針對這些原因制訂相應的技術改進措施。

2 試驗對象

試驗對象為某汽車公司整車路試過程中發生斷裂失效的左懸置連接支架，斷裂處位于螺紋孔與加強筋之間，如圖1所示。該支架材料為ADC12壓鑄鋁合金。

▲圖1 斷裂支架

3 試驗步驟

3.1 斷口宏觀分析

支架斷裂位置如圖2所示。斷裂發生于加強筋與螺紋孔之間變截面位置附近，該處在整車行駛過程中受力較大，且屬于鑄造應力集中處。斷口宏觀形貌如圖3所示。斷口整體呈灰色，未見明顯腐蝕形貌，局部發生嚴重磨損，并且斷口上可見疏松、孔洞等缺陷。在圖2所示①號斷口上可見人字紋花樣。

綜上所述，可初步判定斷裂為典型的脆性斷裂，并且由斷口上人字紋花樣收斂方向、斷口擴展方向及二次裂紋開裂方向可判斷斷裂起源于內側（加強筋一側）次表面疏松缺陷處，向外快速擴展斷裂。

▲圖2 支架斷裂位置

▲圖3 斷口宏觀形貌

3.2 斷口微觀分析

分別取圖2所示①號和②號斷口，超聲清洗后在掃描電鏡下觀察，斷口微觀形貌如圖4所示。試樣表面未見明顯損傷及缺陷，斷口整體粗糙，局部區域磨損嚴重，斷口脆性斷裂形貌顯著。由于此種斷裂擴展速度極快，因此斷口各處開裂的時間先后相差無幾，但由斷口擴展紋路走向及人字紋花樣的收斂方向可判斷斷裂起源于斷口處次表面疏松、孔洞缺陷。兩斷口形貌相似，為脆性解理斷口，斷口上可見少量疏松、孔洞。

3.3 高倍金相組織分析

切取圖3中③號和④號斷口樣品，鑲嵌磨制拋光后用0.5%氫氟酸水溶液腐蝕，檢驗斷口附近及正常基體的組織。斷口附近可見疏松缺陷［8］，形貌如圖5所示。斷口附近組織形貌如圖6所示。組織為α固溶體+少量塊狀初晶硅+點狀和條塊狀共晶硅+針狀β相+少量其它析出相。疏松、條塊狀共晶硅及針狀β相的存在會增大鑄件脆性，降低材料的抗拉強度［9］。正常基體組織形貌如圖7所示。

3.4 材料化學成分分析

在斷裂樣品上切取化學試樣，按照GB/T 7999—2015標準［10］采用光譜儀對斷裂支架的材料成分進行檢測，并將測試結果與JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中的ADC12成分要求進行對比，結果見表1。

由表1可以看出，該斷裂支架中鐵的含量超出了標準，其余元素的化學成分均符合JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的成分要求。

表1 材料化學成分檢測結果

3.5 試樣拉伸性能測試分析

▲圖4 斷口微觀形貌

▲圖5 斷口附近疏松缺陷

▲圖6 斷口附近組織形貌

▲圖7 正常基體組織形貌

按照 GB/T 9438—2013 標準［11］的要求，從斷裂支架中切取三根拉伸試樣棒進行拉伸測試，取樣位置如圖8所示。采用GB/T 228.1—2010標準［12］中的R6試棒（直徑d=6 mm），在加工拉伸試樣時發現三個試樣棒含有少量的疏松、孔洞缺陷，拉伸試樣棒形貌如圖9所示。試驗結果見表2，由數據可見材料的強度較低，低于JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的測試平均值。各種合金壓鑄件的實體強度中，拉伸強度平均值為228 MPa，標準偏差為41 MPa。

表2 拉伸試樣棒抗拉強度測試結果

▲圖8 拉伸試樣取樣位置

▲圖9 拉伸試樣棒形貌

3.6 試樣硬度性能測試

切取③號斷口上的部分樣品，按照GB/T 4340.1—2009 標準［13］測試試樣硬度，并采用 ASTM E140-12be1《金屬硬度換算表》將維氏硬度（HV）轉換為洛氏硬度（HRB），結果見表3。

表3 試樣硬度測試結果

由表3可知，故障件的硬度測試結果略高于JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的HRB測試平均值。各種合金壓鑄件的實體強度中，HRB平均值為40.0，標準偏差為1.8。

4 試驗結果分析

斷口宏觀分析表明，斷裂開始于加強筋與螺紋孔之間位置，該處受力較大，且屬于鑄造應力集中處。斷口微觀分析表明，斷裂起源于次表面的疏松缺陷處，呈典型脆性斷裂形貌，斷口上可見疏松缺陷。金相分析表明，試樣中含有疏松、孔洞等缺陷，同時組織中含有針狀β相，疏松、條塊狀共晶硅，以及針狀β相的存在會增大鑄件的脆性，降低材料的抗拉強度。材料化學成分分析表明，斷裂支架中鐵的含量超出了標準，其余元素的化學成分均符合JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的成分要求。

拉伸性能測試結果表明，材料抗拉強度略低于標準值。硬度測試數據表明，材料硬度略高于標準要求。

5 結束語

綜上所述，引起左懸置連接支架斷裂失效的主要原因包括鑄造時應力集中、材料中存在疏松及孔洞等缺陷、支架中鐵含量超標、材料抗拉強度偏低等。這些缺陷的存在嚴重降低了零件的力學性能，加上左懸置連接支架在整車路試過程中承受了較大的正應力和切應力，從而導致支架發生斷裂失效。

在懸置支架的制造過程中，必須對鑄造工藝進行重新審視和確認，及時優化零件鑄造工藝，來減少鑄造缺陷，如：嚴格控制材料成分中硅、鐵元素的含量；重視材料熔煉過程，在滿足要求的前提下，提高或降低熔煉溫度、延長或縮短熔煉時間等。這些技術措施都有利于消除鑄造過程中的疏松、孔洞等缺陷，避免支架在后續使用過程中發生斷裂失效。

當考慮支架受力狀況時，有兩個后續研究方向，一是如何提高支架的機械性能以抵抗外力作用，二是如何減小受力。前者的研究對象是新材料、新熱處理工藝，后者可以通過配置阻尼裝置以減小發動機振動力和外力，從而進一步達到提高連接支架性能的目的。