汽車支撐配件疲勞裂紋的產生與改進措施的研究

林展祺,高康,王國芳,周亦泉

(廣東省肇慶市質量計量監督檢測所,廣東肇慶 526060)

0 引言

汽車支撐配件(以下簡稱“支撐件”)作為車輛最重要和最基礎的部件之一，它對安全使用車輛起到關鍵作用。汽車在各種不同狀況的道路上行駛，經常容易遭受不同程度的振動沖擊，支撐件在汽車行駛過程中承受振動沖擊及交變拉壓載荷，容易出現疲勞失效現象，進而誘發斷裂破壞的風險。據統計支撐件的失效有80%是由疲勞引起，對汽車的安全行駛產生了威脅，具有很大的危險性，容易造成車毀人亡的惡性事故。相關研究表明，振動是導致支撐件疲勞的關鍵因素之一，因此研究振動對其產生的影響以及疲勞裂紋產生的原因，并提出有效改進措施，對增強支撐件的安全性和穩定性具有重大意義，不僅可以提高其壽命，減少事故的發生，而且能夠降低生產成本并產生巨大的經濟價值。

1 汽車支撐配件的振動疲勞試驗

1.1 國內研究的現狀與基礎

目前，國內對振動引起支撐件疲勞問題的研究還在初級階段，對其內在機制、模型的認識還在初步探索階段，研究工作主要以實驗為主，通過實驗數據和相關現象進行總結歸納，進而形成理論基礎。用于支撐件振動疲勞實驗的設備主要是各種振動臺，如電磁式振動臺、電動式振動臺，對支撐件振動疲勞研究采用的典型方法是用一定數量的典型支撐件在電磁振動臺進行疲勞實驗，通過對試樣施加恒定載荷、設置固有共振頻率，采用定頻試驗的方法對試樣進行激勵，并測定其諧振頻率降低作為疲勞裂紋擴展的判定依據[1]，依據實驗得出的數據和相關資料對支撐件疲勞裂紋產生的原因進行分析研究，進而提出相應的解決措施和方法。下面將抽取典型的支撐件試樣按上述程序進行實驗，通過實驗數據分析支撐件疲勞裂紋產生的原因，并提出改進措施。

1.2 振動疲勞試驗方法

按照支撐配件壽命設計的要求，施加恒定載荷，設置固有共振頻率，采用定頻試驗的方法對試件進行激勵，隨著試驗的進行和結構的疲勞，將會導致試件結構剛度的下降，從而使固有頻率和振型發生變化，且與原始設定的激勵頻率和共振區域發生偏離[1]。根據試件產生疲勞與所受載荷值關系曲線的變化，借助斷裂力學失效的準則，如果試件在設定的條件下完成試驗，試驗載荷曲線保持在上下幅值范圍波動，則可判定試件通過試驗未產生疲勞裂紋，符合使用壽命設計要求；如果試件在試驗過程中載荷值出現縮減下降且幅度超出設定限值，嚴重偏離共振區域，則可判定試件產生疲勞，可依據變化的趨勢確定其使用壽命。文中振動疲勞試驗采用跟蹤控制技術設定停機標準，停機時所經歷的振動頻次即為振動疲勞的試驗壽命，此方法結合理論與實際使用進行仿真試驗，為試件的振動疲勞壽命的判斷提供了可靠的理論依據。

試驗在PLS-200三通道疲勞試驗機上進行，通過數字振動控制系統進行控制和對載荷力傳感進行應變測量，系統能保持實時的共振狀態和載荷穩定，對瞬時的少許擾動變化能自動識別響應并迅速恢復至初始的恒定狀態，從而保證試驗過程的連續性。試件為如圖1所示企業大批量生產的汽車支撐配件，材料為鋁合金，按指定軸向用專用夾具將試件緊固在振動臺。依據設計要求，對預估最大受力位置的X軸向施加載荷進行單向振動破壞試驗，試驗參數設定如下：施力負荷±6 000 N，峰值±7 200 N，谷值±500 N，頻率1 Hz，總頻次50 000次，控制系統完成設定總頻次或監測到激勵載荷連續高于峰值低于谷值時，機器自動停機試驗停止。為降低試驗過程中不確定因素的影響，除了觀察曲線圖是否異常，還每隔60 min停機一次檢查夾具緊固件有無松動、試件是否發生移位破壞等，以保證試驗的順利進行[2]。

圖1 鋁合金支撐配件

1.3 振動疲勞試驗結果

文中對圖1所示編號為1#、2#、3#的3個試件進行三組獨立試驗，試驗結果得到時間進程與激勵載荷的關系曲線圖譜。三組試件均在設定參數下完成振動試驗，試驗過程頻率恒定，無夾具松動、試件移位等不確定因素的影響，試驗結果可靠。1#、2#試件整個試驗進程載荷曲線沒有較大的跳躍波動，均在設定的負荷幅值范圍內保持，試驗結束前曲線截圖分別如圖2和圖3所示；3#試件試驗結果顯示，在試驗進程10 h內載荷曲線也在設定的負荷幅值范圍內保持，之后載荷曲線波動幅值逐漸收窄，到10∶47∶00時負荷已從設定的負荷±6 000 N衰減至±4 300 N，如圖4所示；當試驗時間繼續進行到11∶47∶00 時載荷衰減至峰值不足+4 000 N、谷值為-2 000 N左右，如圖5所示。依據斷裂力學失效的準則，結合試驗結果的曲線圖譜進行分析，1#、2#試件在設定參數內完成試驗，頻率和載荷穩定，圖譜曲線正常，可見試件未產生疲勞裂紋缺陷，滿足設計壽命要求；3#試件試驗中后段曲線波動幅值明顯收窄，激勵載荷值大幅衰減，可見試件已經產生疲勞，剛度正在降低，隨著疲勞試驗的繼續，激勵載荷將急劇下降，當疲勞擴展到臨界點，很快發生疲勞裂紋斷裂失效，3#試件不滿足設計壽命要求。

圖2 1#試件振動曲線

圖3 2#試件振動曲線

圖4 3#試件振動曲線圖(1)

圖5 3#試件振動曲線圖(2)

2 裂紋產生的原因分析

通過對3#試件進行分析，利用目視和放大鏡觀測其表面并無明顯裂痕或未澆足的情況。通過工業CT進一步對其分析，發現其內部存在一呈圓形的孔洞，并有裂紋沿孔洞向一個方向擴展。初步分析發生疲勞斷裂失效的主要原因為內部孔洞所致[3]，其他原因可能包括澆注溫度和澆注時間[4-5]。

通過跟蹤該型號支撐件的實際生產，記錄了45件支撐件生產過程的工藝，主要記錄了支撐件生產過程中澆注的溫度、時間，工業CT分析其是否存在孔洞，最后通過振動疲勞試驗方案觀察是否發生疲勞斷裂失效，結果見表1。

表1 支撐件澆注過程工藝數據統計

由表1可看出，45件支撐件中有5件支撐件通過抗振疲勞試驗后發生疲勞斷裂失效。將這45件中所有發生疲勞斷裂失效的支撐件的澆注溫度和澆注時間統計,可以得出發生疲勞斷裂失效的支撐件的澆注溫度為744、715、712、676和677 ℃，而澆注時間則分別對應為：64、93、66、116和98 s。

通過分析上述數據可知，澆注溫度、澆注時間和是否發生疲勞斷裂失效沒有明顯的相關性，所以可以認為，在目前的生產工藝之下，在690～730 ℃的澆注溫度和80～110 s的澆注時間范圍內，澆注溫度和澆注時間并不是支撐件是否發生疲勞斷裂失效的重要因素。

接著對這45件中所有發生疲勞斷裂失效的支撐件和支撐件是否有孔洞進行統計，發現45件支撐件中存在孔洞的有10件，發生疲勞斷裂失效的有5件，占比為50%。而其余沒有孔洞的支撐件也沒有發生疲勞斷裂失效，占比為0。

由表1可看出，所有發生疲勞斷裂失效的支撐件內部都存在孔洞，因此可以認為支撐件發生疲勞斷裂失效決定性因素為其內部存在孔洞，為了進一步確定支撐件內部孔洞情況對疲勞斷裂失效的影響，再次通過分析工業CT圖像結果見表2。

表2 支撐件CT圖像數據統計

由表2可以看出，支撐件內部的孔洞大小對是否發生疲勞斷裂失效有明顯的相關性，孔洞越大發生疲勞斷裂失效的概率越大。當孔洞最大直徑小于1 mm時基本不會發生疲勞斷裂失效；當孔洞直徑大于1.5 mm時，發生疲勞斷裂失效的概率大大增加。

3 改進措施建議

細小的孔洞是汽車壓鑄零部件存在的主要內部缺陷，它嚴重影響著零部件的性能參數，其中對疲勞性能的影響起著關鍵作用。汽車壓鑄零部件的疲勞性能與孔洞缺陷及微觀組織特征有很大關系。孔洞數量比較多的汽車壓鑄零部件，它們的分散程度對疲勞性能的影響，主要跟孔洞的數量和尺寸有關；孔洞數量比較少的汽車壓鑄零部件，它們對疲勞性能的影響較小，其影響疲勞性能的因素除了孔洞之外還跟其他微觀組織如枝晶間距、氧化膜、相粒子、晶粒大小等有關，由它們的特征決定[6-7]。

汽車壓鑄零部件細小孔洞等缺陷的存在，尤其在高應力情況時表現得比較突出，既加速萌生出疲勞裂紋，又對疲勞裂紋的擴展起到了促進作用，嚴重縮短了汽車壓鑄零部件的疲勞壽命。研究表明，汽車壓鑄零部件的疲勞性能除了跟缺陷尺寸的大小有直接關系，還跟內部缺陷的位置分布有一定的聯系，對于壓鑄零部件表面淺顯位置，而且距離澆道口處比較遠的區域有比較好的疲勞性能；而在距離壓鑄零部件靠近內部中心位置，而且距離澆道口處比較近的區域疲勞性能則相對較差[8]。造成汽車壓鑄零部件生產過程中產生孔洞等缺陷受諸多因素的影響，要想找到解決問題的辦法必須找出造成缺陷的根本原因。首先，在輔助用料方面，保證汽車壓鑄零部件熔煉時的精煉除氣質量，選用好的精煉劑、除氣劑，降低金屬溶液中氣體的含量，對液面中的浮渣、泡子等氧化物采取及時清理措施，阻止將氣體又一次混合進溶液內，帶入模腔；對脫模劑采取優中選優，使用的脫模劑既能保證在澆灌過程中沒有氣體產生，而且對脫模又能起到很好的促進作用；采用發氣量小的涂料，涂料用量薄而均勻，燃盡后再讓鋁液填充。第二，在控制模具內腔排氣方面，應充分考慮模具的排氣速度，保證排氣通順，型腔內的氣體能排盡，關鍵是在金屬溶液后聚集區域位置排氣通道應根據流經澆道情況及時保持暢通，不應出現澆道口相互堵塞的情況；汽車壓鑄零部件澆灌工藝過程中，金屬溶液進入模腔內的流動狀態一般是紊流，此種狀態一般不可能改變為層流模式，只能對給料系統進行適當的改進，降低澆灌時金屬溶液在澆注口位置氣體的夾帶量。第三，在澆注系統設計方面，考慮適合排除氣體的澆注口位置，設置合理的澆道形狀進行導流，在型腔內采取先近后遠，自下而上逐步推進的導流模式，不能出現因上封閉分型面先填充，而導致下封閉分型面無法排除氣體的情況；直澆道的導流截面積應盡可能比內澆口截面積大些，腔體深處再增設排氣塞，采用鑲拼的形式增加型腔內排氣量；在達到成型良好的壓鑄條件下，一般選用較小的壓室，增大內澆口厚度來降低填充速度，提高壓室充滿度。

4 結束語

文中通過對汽車支撐配件產生疲勞裂紋成因的研究，采用定頻試驗的方法進行振動疲勞試驗，對支撐件的澆注溫度、澆注時間和孔洞進行分析，得出疲勞斷裂失效的原因與孔洞有顯著關系，對此提出相應的改進措施，有效減少支撐配件產生疲勞失效的現象，大大降低斷裂風險，且能夠完善和豐富現有的疲勞裂紋機制研究，為發展創新汽車鑄造件的設計和工藝提供重要的理論指導，對提高汽車支撐配件的制造質量具有重要的研究價值和科學意義。