乘用車穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)斷裂失效分析

李迎超, 葉 又, 魏一凡, 劉鵬鵬, 顧磊明

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201208)

穩(wěn)定桿是汽車的底盤懸架零件，如圖1所示，主要用于減少汽車在高速轉(zhuǎn)向時(shí)的橫向傾斜，并改善駕駛平順性[1]。其制造工藝一般是采用高強(qiáng)鋼線或鋼管，淬火加中溫回火至40 HRC左右，以獲得較高的強(qiáng)度和一定的韌性。

圖1 穩(wěn)定桿示意圖Fig.1 Diagram of stable bar

某公司為某新車型設(shè)計(jì)的SUP9鋼制實(shí)心穩(wěn)定桿，在道路耐久試驗(yàn)完成60%～70%時(shí)發(fā)生了2起斷裂失效事故，斷裂部位如圖2所示，屬于應(yīng)力最大區(qū)域。而同一家供應(yīng)商提供的前一個(gè)樣件(以下稱合格件)，已100%通過了相同的耐久試驗(yàn)。

為研究耐久試驗(yàn)中失效件與合格件的區(qū)別，筆者對該兩者都進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以查找零件失效的原因，防止類似失效事故的再次發(fā)生。

圖2 斷裂失效件宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured failure part

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口分析

觀察失效件斷口宏觀形貌，基本可判斷該斷口為典型的疲勞斷口[2]。如圖3所示，斷口從一側(cè)起源后向另一側(cè)疲勞擴(kuò)展，形成了典型的疲勞貝紋。在裂紋疲勞擴(kuò)展近零件橫截面的一半后，零件失穩(wěn)瞬間斷裂，形成了有放射狀條紋的最終瞬斷區(qū)。因?yàn)樨惣y線所覆蓋斷口面積相對較小，所以雖然是高周疲勞，但零件的應(yīng)力水平還是比較高的[3]。

圖3 失效件斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the failure part:a) fatigue source area;b) fatigue crack growth area and final fracture area

圖4所示為失效件斷口的微觀形貌，疲勞源區(qū)未見明顯缺陷，在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷過渡區(qū)，分別可見細(xì)小的疲勞輝紋和過載韌窩，未發(fā)現(xiàn)沿晶等較異常的斷口形貌。綜上，可判斷失效件的斷口為典型的高周疲勞斷口，未見顯著異常。

圖4 失效件斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture of the failure part

1.2 化學(xué)成分分析

為避免零件表面涂層干擾，分別在失效件與合格件的橫截面上使用斯派克直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見失效件與合格件的化學(xué)成分基本無差異，都符合企業(yè)技術(shù)要求。

1.3 硬度測試

表1 失效件和合格件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the failure part and the qualified part(mass fraction) %

在穩(wěn)定桿圓形橫截面半徑一半的位置，每隔120°進(jìn)行維氏硬度測試。失效件與合格件的硬度測試結(jié)果如表2所示。硬度設(shè)計(jì)要求為400～460 HV5。嚴(yán)格來說失效件1已經(jīng)超出設(shè)計(jì)指標(biāo)，但失效件2的硬度是完全符合設(shè)計(jì)要求的。

表2 失效件和合格件心部的硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of the core of the failure part and the qualified part HV5

由于SUP9鋼的碳含量比較高，經(jīng)過淬火加中溫回火后，如果熱處理工藝控制不當(dāng)，表面較容易產(chǎn)生脫碳問題。而對于抗拉強(qiáng)度為1 300～1 500 MPa的穩(wěn)定桿，脫碳會顯著降低穩(wěn)定桿表面硬度，導(dǎo)致早期疲勞起源并斷裂失效。為此，筆者補(bǔ)充了失效件與合格件表面硬度梯度的檢測，結(jié)果見表3。可見失效件的表面硬度顯著低于合格件的，應(yīng)在金相檢驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)觀察失效件的脫碳情況。

1.4 金相檢驗(yàn)

表3 失效件和合格件的表面硬度測試結(jié)果Tab.3 Surface hardness test results of the failure part and the qualified part HV0.1

在接近失效部位，從失效件與合格件上取樣，研磨拋光后采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕制成金相試樣，使用光學(xué)顯微鏡觀察對比其顯微組織形貌，如圖5所示。可見失效件心部組織都是正常的回火屈氏體。但兩件失效件的脫碳層都明顯超過了0.1 mm，不過仍滿足小于0.2 mm的指標(biāo)要求；而合格件經(jīng)反復(fù)觀察，基本未見脫碳現(xiàn)象。失效件與合格件的表面顯微組織形貌與表面硬度梯度檢測結(jié)果基本吻合。

圖5 失效件和合格件的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the failure part and the qualified part: a) the core of the failure part; b) the surface of the failure part 1; c) the surface of the failure part 2; d) the surface of the qualified part

2 分析與討論

根據(jù)以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效件唯一不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的是硬度，但與合格件存在最顯著區(qū)別的是脫碳情況。由于該穩(wěn)定桿是整體進(jìn)行淬回火熱處理的，脫碳現(xiàn)象會存在于整個(gè)零件表面，包括疲勞起源點(diǎn)。

一般來說，硬度400 HV5以上的彈簧鋼，存在10 HV5的差異是不會顯著影響疲勞壽命的。兩件失效件的疲勞壽命就很接近，失效件2心部的硬度與合格件的一致，推測有其他原因?qū)е缕谛阅艿娘@著下降。金相檢驗(yàn)結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的脫碳問題，可導(dǎo)致表面局部硬度下降較大，表面強(qiáng)度明顯低于心部，且當(dāng)表面應(yīng)力最大時(shí)各種破壞將首先發(fā)生在表面，從而會造成早期疲勞起源并失效[4]。所以脫碳軟化往往會使彈簧類零件的疲勞性能大幅度下降[5]。

就批次間脫碳差異大的問題，筆者調(diào)查了供應(yīng)商的熱處理工藝。發(fā)現(xiàn)合格批次與失效批次熱處理時(shí)的脫碳保護(hù)確實(shí)有所不同，后者根據(jù)脫碳設(shè)計(jì)指標(biāo)而放松了控制要求。雖然原設(shè)計(jì)指標(biāo)是沿用幾個(gè)車型使用過的常用指標(biāo)，但該新車型的穩(wěn)定桿應(yīng)力比以往車型大些，對脫碳這樣的表面缺陷則會更為敏感。

所以，雖然新車型沿用了以往的脫碳設(shè)計(jì)指標(biāo)，但由于新穩(wěn)定桿應(yīng)力高于以往車型，試驗(yàn)結(jié)果證明以往的脫碳指標(biāo)已不能滿足該車型耐久試驗(yàn)要求，必須提高脫碳設(shè)計(jì)指標(biāo)才能提高零件表面疲勞強(qiáng)度，并在應(yīng)力噴丸處理中獲得更高的殘余壓應(yīng)力。

在零件研發(fā)試驗(yàn)階段發(fā)生失效，說明并不是滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)就表明零件本身沒有問題。進(jìn)行試驗(yàn)恰恰就是用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)的，失效可能就是因?yàn)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)有問題。即使是已長期使用的設(shè)計(jì)指標(biāo)也值得反復(fù)推敲其適用范圍。

失效分析時(shí)，和相同試驗(yàn)的合格件對比十分重要。找到失效件和合格件的顯著區(qū)別，往往就是失效發(fā)生的根本原因，且很可能需要據(jù)此修改原設(shè)計(jì)指標(biāo)[6]。通過試驗(yàn)找到問題，然后調(diào)整設(shè)計(jì)來解決問題，這種能力正是研發(fā)機(jī)構(gòu)的核心競爭力。

3 結(jié)論及建議

失效穩(wěn)定桿的斷口為典型的疲勞斷口，穩(wěn)定桿存在嚴(yán)重的脫碳問題，導(dǎo)致穩(wěn)定桿出現(xiàn)早期疲勞起源并最終擴(kuò)展斷裂。

建議重新制定該穩(wěn)定桿的脫碳指標(biāo)要求，以提高其耐久性。