工程車輛前橋疲勞試驗早期開裂分析

張俊花，戴斌麗，賈爽，卜夢凡，康學勤

（1.江蘇聯合職業技術學院徐州技師分院，江蘇徐州 221151；2.中國礦業大學材料與物理學院，江蘇徐州 221008）

0 引言

前橋是工程車輛設備中十分重要的零件，具有連接車體和車輪的作用，車輛在行駛過程中，其承受的載荷多為交變載荷，使用過程中易出現疲勞裂紋甚至斷裂[1-4]。這就要求其材料必須具有足夠的強度、剛度和抗破壞能力[5-6]。某礦用車前轉向橋材料為ZG310-570，加工過程為鑄造后進行拋丸和打磨處理，然后進行正火處理、二次拋丸和噴漆作業，最后進行外觀及尺寸檢查。該前橋進行臺架試驗，試驗過程通過載荷來進行控制，加載波形為正玄波，頻率為3 Hz，最大加載力為-183 kN，最小加載力為-26 kN，額定循環次數為30萬次，在試驗進行到135 721次時出現開裂。與使用過程中車橋所處工作環境惡劣，工況復雜導致的開裂不同，本次開裂是在臺架試驗中產生的，所得結論對于產品質量分析和標準制定具有重要的指導意義。劉瑜等[7]對42CrMo汽車前橋在臺架疲勞試驗中的早期開裂進行過分析，開裂的原因是由于粗糙的磨痕引起的偶發事件。本文通過宏觀、掃描電鏡、化學成分、力學性能和金相組織等分析方法對開裂零件進行檢驗和分析，尋找開裂產生的原因，并提出預防措施。

1 理化檢驗

1.1 樣品宏觀檢驗

圖1為前橋結構及斷裂位置示意圖，圖1中左右兩端為臺架試驗固定位置，中部箭頭所示區域為交變載荷F加載位置。從圖中可以看到，開裂發生在前橋右側拐角處，圖2中實物照片顯示出裂縫下寬上窄，從下向上擴展，前橋上部尚未完全斷開。

圖1 前橋結構示意圖及斷裂位置圖

圖2 前橋斷裂位置和斷裂形貌圖

1.1.1 斷口宏觀形貌分析

圖3為開裂前橋分開后的裂紋斷口形貌圖，從圖中可以看出試驗過程中開裂形成的斷口無明顯塑性變形，屬于宏觀脆性斷裂。斷口表面較粗糙，左下部區域較平整，有明顯的放射線，斷口為臺架試驗循環加載過程中形成的疲勞斷口，根據放射線的方向，可知左下腳區域為斷裂源區。斷口右上部區域起伏較大，為臺架試驗過程中裂紋在循環加載力作用下快速擴展形成的斷裂區。圖3中右側圖為左側圖中裂紋源區的局部放大圖，從圖中可以看到斷裂源區顏色較深且存在細小的撕裂棱，根據撕裂棱形貌可知裂紋源在圖3右側圖中試樣的左側表面。結合圖3左側圖可知裂紋源區在前橋左側面下部區域，臺架試驗中前橋在26～183 kN的壓應力作用下循環，試驗過程中前橋下表面受到的拉應力最大，試驗過程中前橋截面受力從下向上逐漸降低，裂紋源卻出現在了受力最大的左下角和受力較低的左側面下部區域，需要對裂紋源表面的形貌及組織進行觀察和檢驗。

在圖3 中的裂紋源側面取樣進行分析，將該試樣放到超聲波中用無水乙醇清洗掉側面的白色涂料，露出底部紅色的涂料，將紅色涂料剝落后顯示出前橋裂紋源區側面的表面形貌（如圖4（a）），從圖中可以看出前橋左側表面布滿了凹坑，非常粗糙，根據凹坑的形貌可以判斷其是在拋丸過程中形成的。對比拋丸表面粗糙度比較樣塊，其粗糙度達到25～50 μm。圖4（b）為前橋下側表面形貌圖，從圖中可以看出，前橋下側表面也布滿了凹坑，表面明顯有打磨的痕跡，對比拋丸表面粗糙度比較樣塊，其粗糙度為6.3～12.5 μm。該前橋零件要求圖2（a）中加強筋側面和前橋下側表面的粗糙度不高于12.5 μm。可知前橋側面粗糙度不滿足要求，下側表面打磨后粗糙度滿足標準要求值。

圖3 前橋斷面和斷裂源區形貌圖

圖4 前橋左側表面和下側表面形貌圖

1.1.2 斷口微觀形貌分析

將超聲清洗后的試樣放到掃描電鏡（SEM）中進行微觀形貌觀察，圖5為裂紋源區低倍和高倍SEM圖，從圖中可以看出裂紋源區為穿晶斷裂，在斷口表面形成與珠光體對應的層片狀形貌。圖6為裂紋擴展區的低倍和高倍SEM圖，從圖中可以看到交變應力作用下，斷口表面留下的疲勞輝紋[5-6]。

圖5 裂紋源區低倍和高倍掃描電鏡圖

圖6 裂紋擴展區低倍和高倍掃描電鏡圖

1.2 材料成分測試

從開裂前橋中取樣進行化學成分測試，測試結果見表1。從表中可以看出鑄鋼中C、Si、Mn、S、P等化學元素符合GB/T 11352-2009標準中ZG 310-570材料的要求。

表1 鑄鋼化學成分質量分數測試表%

1.3 力學性能試驗

在前橋水平段（圖2（a）中A區域）取樣按照GB/T 228.1-2010進行室溫拉伸試驗，材料的拉伸性能測試結果見表2。從表中可以看出，材料的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率滿足國標GB/T 11352-2009中的要求值。

表2 鑄鋼拉伸性能試驗測試結果

1.4 金相檢驗

在裂紋源處取樣，研磨拋光后用4 %硝酸酒精溶液腐蝕，用光學顯微鏡對其金相組織進行觀察。圖7為前橋側面裂紋源區處的金相組織圖，從圖中可以看到前橋表面金相組織為F+P，靠近表面位置由于鑄造和正火過程中出現脫碳現象，F增多，P減少。前橋表面完全脫碳層厚度約為0.2 mm，總脫碳層厚度約為0.5 mm，滿足標準中要求的總脫碳層厚度≤0.5 mm。圖8為前橋基體金相組織圖，該零件金相組織為正火后形成的等軸狀F+P，珠光體片層細密，力學性能較好。

圖7 前橋表面和內部金相組織圖

圖8 前橋基體低倍和高倍金相組織圖

2 結果分析

根據前面的理化檢驗結果可知，前橋材料化學成分、力學性能和金相組織滿足標準要求。該零件在鑄造成型后進行了拋丸和打磨處理，正火處理后進行了二次拋丸處理。拋丸過程中在鑄件表面產生了較大的塑性變形，形成大量凹坑，使鑄件表面的粗糙度增大，達到25～50 μm，超過了標準中規定的要求值（≤12.5 μm）。鑄件下側表面由于在拋丸后進行了簡單的打磨處理，降低了表面的粗糙度，滿足標準中規定的要求。

一般來說，材料表面的質量對機械零件疲勞壽命影響較大[8-9]，拋丸后零件表面的粗糙度越大，應力集中就越嚴重，疲勞試驗過程中零件疲勞裂紋源的萌生周期越短，零件的疲勞壽命越短或疲勞強度越低[10-11]。前橋左右拐角處的下表面是受力最大部位，該部位在拋丸后進行了打磨處理，降低了該部位的粗糙度，提高了該部位的受力水平和疲勞壽命。臺架試驗過程中疲勞裂紋源在與受力最大部位接近且表面粗糙度較高的前橋左右拐角處側面出現，裂紋源區形成后在交變應力作用下進一步擴展形成裂紋擴展區，最終導致前橋在疲勞試驗過程中循環到13萬次時出現開裂。

對同批次前橋左右拐角處側面的質量進行檢驗，發現均存在粗糙度較高的現象，對該處表面進行打磨處理后，再對同批次前橋零件進行垂直加載臺架疲勞試驗，循環30萬次后未發現開裂現象，滿足使用標準。

3 結論及建議

前橋開裂的斷口為典型的疲勞斷口，前橋表面存在拋丸過程中形成的大量凹坑，前橋側面的粗糙度增加，大幅度降低了疲勞斷裂中裂紋源的萌生周期，降低了前橋的疲勞壽命。前橋左右拐角處的下表面雖然是受力最大部位，但是在拋丸后對這些部位進行了打磨處理，增加了表面的光潔度進而提高了該處的受力水平和疲勞壽命。導致疲勞裂紋源在與受力最大部位接近且表面較粗糙的側面出現。

建議生產過程中加強鑄件關鍵部位質量檢測，對前橋左右拐角部位的側面進行打磨處理，降低該部位的粗糙度，提高鑄件質量和疲勞壽命。