汽車液壓變矩器鉚釘斷裂分析

胡孝昀

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鉚釘作為一種工藝簡單、成本低廉的連接方式，在機械結構的裝配中廣泛使用。鉚釘作為重要的機械固定連接方式，已在航空結構件、汽車零件及軸承等產品裝配中承擔著重要的角色[1-4]。液壓變矩器在汽車結構中占有重要地位，與其他連接方式相比，在液壓變矩器某些結構中，采用鉚釘連接更具優勢。

在液壓變矩器工作時，鉚釘連接處易產生應力集中，導致各種斷裂。在種載荷的作用下，結構的失效主要體現為連接件的失效。與整體保持架相比,鉚接保持架具有更好的加工及裝配工藝性。目前,鉚釘結構應用于液壓變矩器已是一種比較成熟的連接工藝。在實際工況中，鉚釘連接構件如果失效,液壓變矩器將無法正常工作,進而導致設備不能正常工作。針對液壓變矩器在實際工作狀況下鉚釘失效的問題,對鉚釘的設計和加工工藝進行分析，以提高和改善液壓變矩器的使用壽命。

1 問題的闡述

某公司送檢樣為鉚釘，試件在使用過程中失效，拆檢后發現鉚釘斷裂，原材料為SWRCH10A。觀察斷口宏觀形貌后可知，鉚釘為過載起裂后剪切斷裂特征。為進一步判定其斷裂原因，對送檢樣品開展斷口分析、材質分析、顯微組織分析等檢測分析，判斷鉚釘斷裂原因。

檢測方法：1)宏觀形貌觀察(目眼及體視顯微鏡)；2)微觀形貌觀察及能譜EDS分析(掃描電子顯微鏡及能譜儀)；3)硬度測試(顯微硬度計)；4)金相分析(蔡司金相顯微鏡等)。

2 數據結果分析

2.1 宏觀檢查和斷口宏觀形貌

送檢鉚釘的宏觀形貌如圖1所示，將斷裂的鉚釘編號為1#、2#。按照圖中所示線切割截取鉚釘斷口及其匹配斷口試樣，分別進行各項試驗。從圖中可看出過載及剪切特征明顯。1#、2#鉚釘在同一個傳動片上連接，兩斷口失效分離，1#變形較2#嚴重。

圖1 失效件整體形貌

將鉚釘斷口進行清洗、去銹和除油處理，在掃描電子顯微鏡下觀察斷面的宏觀形態，如圖2所示。由圖2可知斷口呈平直狀，根據其受力情況及工況過程可以大致判斷為兩鉚釘在傳動片往復拉拔作用下分別失效，呈現剪切和拉拔特征，扭轉嚴重。結合斷裂鉚釘斷面磨損情況，初步判斷該試件最早失效起裂位置為：1#鉚釘(圖2(a))起源于鉚釘斷口側端面位置，裂紋擴展方向如圖中箭頭所示，右邊源區斷口呈現臺階脊狀，左右兩端受傳動片來回擠壓剪切，裂紋擴展方向如圖中箭頭所示(斷口失效方向初判如圖中箭頭所示):2#鉚釘(圖2(b))同樣起源于鉚釘斷口側端面位置(斷口失效方向初判如圖中箭頭所示)。失效件斷口顯示為過載剪切斷裂特征，傳動片變形，鉚釘磨損嚴重，側壁擠壓痕跡明顯。在萊卡顯微鏡下觀察鉚釘外壁后，斷口附近未見異常缺陷，表面擠壓磨損。為進一步判定其斷裂原因，繼續開展了以下檢測。

圖2 鉚釘斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌及能譜EDS分析

在掃描電子顯微鏡下繼續觀察斷口源區表面形態，并對由宏觀形貌初步判定的最先起裂鉚釘及后續斷裂鉚釘分別進行微觀掃描分析如下。

由圖3-圖15可知，1#、2#失效鉚釘斷口掃描特征均以大面積剪切韌窩為主。掃描觀察鉚釘側壁源區，未見明顯缺陷及裂紋，傳動片擠壓拉拔痕跡明顯，起裂于邊角位置，源區未見明顯氧化產物及夾雜，對磨嚴重；在傳動片拉擠作用下，表面壓痕明顯，擴展及瞬斷區掃描觀測后可見明顯剪切韌窩特征。

觀察1#鉚釘源區處由于變形與鑄鐵分離，形成較大間隙，第2源區被傳動片擠壓變形，與鑄鐵分離形成縫隙。由圖3、圖4、圖6，斷面可見往復的壓痕及損傷，局部剪切韌窩兩個方向形成重疊。如圖5、圖8所示，在第2源區局部出現振動條帶特征。如圖7所示，最終撕裂區呈現拉拔韌窩特征。如圖9所示，鉚釘斷裂前受傳動片往復應力拉拔擠壓變形，過載振動撕裂。

圖3 鉚釘源區表(端面)掃描(1#)

圖4 鉚釘起始區低倍掃描(1#)

圖5 鉚釘起始區高倍掃描(1#)

圖6 鉚釘第2起裂區低倍掃描(1#)

圖7 鉚釘第2起裂區高倍掃描(1#)

圖8 鉚釘擴展區掃描(1#)

圖9 鉚釘瞬斷區掃描(1#)

觀察2#鉚釘源區處由于變形與鑄鐵分離，形成較大間隙，瞬斷區和鑄鐵接觸擠壓嚴重，縫隙較小。圖10、圖14、圖15中，斷面可見橫向的壓痕損傷以及縱向的擠壓損傷條帶和扭轉變形痕跡，局部形成褶皺損傷，說明在斷裂過程鉚釘表面受到較大的滑動摩擦和擠壓損傷，并且源區附近局部拉拔頸縮特征明顯，說明鉚釘斷裂前受傳動片往復應力拉拔擠壓變形。

圖10 鉚釘源區表面(端面)掃描(2#)

圖11 鉚釘起始區低倍掃描(2#)

圖12 鉚釘起始區高倍掃描(2#)

圖13 鉚釘擴展區掃描(2#)

圖14 鉚釘瞬斷區(下端面)低倍掃描(2#)

圖15 鉚釘瞬斷區高倍掃描(2#)

1#和2#鉚釘起裂區的SEM-EDX能譜半定量分析檢測結果如圖16和圖17所示。能譜結果表明鉚釘含有鋅元素，此由表面鍍鋅的緣故。綜合以上各區域EDS分析結果，可以看出鉚釘起始區域譜圖中未見明顯異常元素的峰存在，局部磨損表面由鍍鋅層元素帶入。

圖16 鉚釘EDS定點元素分析(1#)

圖17 鉚釘EDS定點元素分析(2#)

2.3 顯微組織觀察分析

為進一步判定該試件熱處理狀態問題，對1#和2#斷口試件取樣做金相觀察，線切割截取鉚釘斷口，經拋光和4%硝酸酒精腐蝕后在光學顯微鏡下觀察金相組織,檢測結果如圖18和圖19所示。由圖可知，1#和2#源區表面未見微裂紋和異常表面缺陷及夾雜物。

圖18 1#鉚釘材料金相組織表面拋光圖

圖19 2#鉚釘材料金相組織心部拋光圖

根據圖20和圖21可知，經4%硝酸酒精腐蝕后，鉚釘組織以珠光體+鐵素體為主，表面鍍層拋光后觀測未見明顯夾雜、裂紋陷等缺陷，組織無異常[5-6]。

圖20 1#鉚釘金相顯微組織

圖21 2#鉚釘金相顯微組織

2.4 硬度原材料化學成分分析

分別針對工件上斷裂處采集多點硬度，硬度值如表1所示。對照該工件熱處理工藝要求可知斷件硬度達標[7]，表面與心部硬度未見明顯差異。

表1 鉚釘顯微硬度測試結果

鉚釘的質量分數檢測結果見表2，可見其符合標準規定SWRCH10A鋼材要求[8]。

表2 質量分數直讀光譜分析結果 單位：%

從鉚釘斷口宏觀形貌檢測結果判定鉚釘為過載起裂后剪切擴展失效。綜合以上檢測結果，結合該試件的工藝及使用工況分析后可知，斷裂鉚釘源區無明顯夾雜，材質化學元素正常，顯微組織和顯微硬度達標。1#鉚釘在傳動片往復作用下剪切拉拔從側端面起裂，向內部擴展，最終在中心附近拉拔分離，隨著1#斷裂后，2#被快速剪切發生橫向斷裂。結合斷口微觀掃描形態，鉚釘斷裂誘因可考慮工作中鉚釘在傳動片作用下，局部受異常剪切載荷應力集中，從而導致加載力超出本身承載能力沖切起裂，進而拉拔扭轉擴展失效。

3 結語

通過對液壓變矩器鉚釘失效情形的檢測分析,鉚釘斷裂是由局部區域受異常剪切載荷應力集中超出鉚釘的承載能力導致沖切起裂，工作時裂紋進一步擴展導致的。本文通過分析此次鉚釘斷裂的案例，為液壓變矩器的設計和加工工藝提供參考價值；為改善液壓變矩器的性能和帶來更多的經濟和社會價值提供借鑒意義。