鍛造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)裂紋失效分析

曹慧泉 方靜 高振 黃勇 楊佳倩

摘 要：某型號鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)在進(jìn)行懸架臺架耐久試驗(yàn)時(shí)發(fā)生開裂，采用宏觀觀察、掃描電鏡觀察分析、斷口分析、金相分析及理化測試分析等試驗(yàn)方法，對該轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了斷口形貌特征、顯微硬度、金相組織、化學(xué)成分等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)為疲勞開裂，轉(zhuǎn)向節(jié)的化學(xué)成分和顯微硬度符合技術(shù)要求，金相組織未見異常，但是在開裂最深處發(fā)現(xiàn)折疊缺陷。折疊缺陷位于薄肋與腹板的相交處，同時(shí)該部位存在氣泡缺陷，造成應(yīng)力集中，發(fā)生疲勞裂紋萌生并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)開裂。針對以上分析，提出了更改模鍛件設(shè)計(jì)與增加探傷工序等措施。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié);6082鋁合金;折疊;裂紋;失效分析

中圖分類號：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0094-04

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向。在汽車行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向節(jié)的功用是傳遞并承受汽車前部載荷，支撐并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向，因此，其承受著多變的沖擊載荷，要求具有較高的強(qiáng)度與沖擊韌性性能[1]-[4]。某型號鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)在進(jìn)行懸架臺架耐久試驗(yàn)時(shí)發(fā)生開裂（要求20w次，8w次時(shí)開裂），出現(xiàn)一處橫長條形裂紋。該鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)材質(zhì)為6082，其主要生產(chǎn)工藝為：毛坯鍛造成形（自由鍛加模鍛）—固溶處理—時(shí)效處理—機(jī)加工等。本文通過對失效件進(jìn)行綜合分析，確定了開裂原因，提出了整改方向，為減少和預(yù)防同類零部件產(chǎn)品的失效重復(fù)發(fā)生，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 斷口宏觀分析

轉(zhuǎn)向節(jié)的開裂部位如圖1（a）箭頭所示，零件整體無明顯變形，圖1（b）為切割取樣后的開裂區(qū)域，裂紋處于薄肋與腹板的相交處。把裂紋打開后，斷口宏觀形貌如圖2所示，斷口整體呈灰黑色，白亮色區(qū)域?yàn)榇蜷_裂紋時(shí)人為撕裂的痕跡，裂紋平均深度約2.5mm，最深處約4mm。

1.2 斷口微觀分析

對斷口進(jìn)行超聲波清洗后，采用EVO18掃描電鏡觀察分析，斷口形貌如圖3所示。圖3（a）和圖3（b）為斷口低倍下的形貌。圖3（c）-圖3（f）為其放大形貌，主要為磨損形貌，部分區(qū)域有疲勞輝紋，如圖3（f）所示。裂紋最深處的形貌如圖3（g）和3（h）所示，發(fā)現(xiàn)存在氣泡缺陷，氣泡形態(tài)為圓形或橢圓形。

1.3 化學(xué)成分分析

在失效件開裂部位附近取樣，采用QSN750-Ⅱ火花直讀原子發(fā)射光譜儀按照GB/T 7999-2015規(guī)定進(jìn)行化學(xué)元素分析。檢測結(jié)果如表1所示，可見失效件化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

1.4 顯微硬度分析

使用Carat930顯微硬度計(jì)對失效件斷口附近的顯微硬度進(jìn)行測量，檢測結(jié)果如表2所示，可見失效件顯微硬度符合技術(shù)要求。

1.5 金相組織分析

在開裂最深的位置沿軸線縱向取樣，磨制拋光后用Dkeller試劑（HF：HCl：HNO3：H2O=2：3：5：190）進(jìn)行腐蝕，采用Observer.D1m金相顯微鏡進(jìn)行觀察。顯微組織如圖4（a）和圖4（b）所示，主要組織為α-Al+Mg2Si+Si三相，符合6082-T6的組織特征，未見過熱、過燒現(xiàn)象。在裂紋最深處發(fā)現(xiàn)明顯的折疊缺陷，如圖4（c）所示。

2 分析與討論

轉(zhuǎn)向節(jié)失效件的化學(xué)成分和顯微硬度符合技術(shù)要求，金相組織未見異常，但是在開裂最深處發(fā)現(xiàn)折疊缺陷（見圖4（c））。

結(jié)合該失效件斷口的宏觀和微觀形貌分析，在開裂的最深處發(fā)現(xiàn)存在氣泡缺陷（見圖3（g）和圖3（h）），同時(shí)金相分析顯示該區(qū)域有明顯的折疊缺陷，推斷區(qū)域應(yīng)為裂紋起始位置;斷口主要為磨損形貌，但是部分區(qū)域可以觀察到疲勞輝紋，該失效件應(yīng)為疲勞開裂。

該失效件的開裂部位位于薄肋與腹板的相交處，在模鍛過程中，模鍛件設(shè)計(jì)不合理，如腹板與薄肋過渡的凹圓角半徑設(shè)計(jì)過小易使鍛件產(chǎn)生折疊，同時(shí)，坯料選擇不當(dāng)、模壓時(shí)一次壓下量過大、模壓時(shí)潤滑不均勻及上道工序折疊缺陷等也是模鍛件產(chǎn)生折疊的重要原因[5]-[6]。模鍛件的折疊破壞了金屬的連續(xù)性，其使得零件斷面部分減弱，在零件使用時(shí)發(fā)生應(yīng)力集中并成為疲勞裂紋的發(fā)源地，極大地降低鍛件的承載能力[7]-[8]。另外，折疊部位還觀察到氣泡缺陷，缺陷進(jìn)一步加劇該部位的應(yīng)力集中，在耐久試驗(yàn)中發(fā)生疲勞裂紋萌生并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)開裂。

3 結(jié)語

（1）該鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)開裂主要由折疊缺陷導(dǎo)致。其主要原因是模鍛件設(shè)計(jì)不當(dāng)，在鍛造工序產(chǎn)生折疊，同時(shí)折疊處存在氣泡缺陷，造成該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，在耐久試驗(yàn)中發(fā)生疲勞裂紋萌生并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)開裂。

（2）針對鍛造工藝中模鍛件設(shè)計(jì)不當(dāng)問題，建議增大薄肋與腹板的過渡處圓角及模具上的凸圓角半徑，并增加探傷工序，避免再次出現(xiàn)此類缺陷。

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