汽車橫向穩定桿斷裂分析

褚明志，曾云玲

廣汽乘用車有限公司 廣東廣州 511434

1 序言

橫向穩定桿是汽車懸架中的一種輔助彈性元件。當車身只作垂直運動時，兩側懸架變形相同，橫向穩定桿不起作用。但當汽車轉彎時，車身側傾，兩側懸架跳動不一致，外側懸架會壓向穩定桿，穩定桿就會發生扭曲，桿身的彈力會阻止車輪抬起，從而使車身盡量保持平衡，起到穩定車身作用。噴丸強化工藝因其適用范圍廣、實用性好、價格低廉等特點，并能夠顯著改善材料表面的特性，提高其耐蝕性和疲勞性能，常用于穩定桿、彈簧、齒輪等產品的表面強化[1，2]。隨著乘用車朝輕量化發展，如高強度硼鋼、鋁鎂合金、質量輕應力高的空心橫向穩定桿獲得廣泛的應用，相較于實心桿外徑增加了11.8%，但質量可以減少30%～40%[3，4]?？招臋M向穩定桿熱處理工藝一般為淬火+中溫回火。

某車型空心橫向穩定桿在安裝后突然發生斷裂。零件采用材質為34MnB5鋼，公稱外徑26mm，壁厚6mm，要求淬火溫度為（865±35）℃，回火溫度為（300±10）℃，硬度42～50HRC，抗拉強度要求≥1300MPa。橫向穩定桿生產流程為：來料檢驗→開料→冷彎成形→整體加熱→約束淬火→回火→端部加熱/成形→工序檢驗→校準→噴丸→涂裝→打標識→端頭浸漆→硫化→組裝→成品檢驗→包裝。

2 試驗過程與結果

2.1 斷口宏觀觀察

如圖1所示，橫向穩定桿安裝時A、B點與車身連接，C、D點與車輪連接，當汽車通過凹凸路或轉彎時，為保證車身穩定性與車身相連的A點和B點處受到較大的扭力。通過對斷口清洗后進行觀察（見圖2）。在斷口附近未見明顯外傷和塑性變形，裂紋源處于穩定桿的折彎處附近的內側，裂紋從表面向心部擴展，裂紋沿兩邊進行擴展最終在瞬斷區斷裂。根據零件斷裂形貌結合零件受力情況，推測零件是在受到較大扭矩時發生的延遲脆性斷裂[5]。

圖1 故障件

2.2 斷口微觀觀察

由圖2可見，穩定桿裂紋源區和擴展區晶粒明顯、晶界清晰、無微觀塑性變形，呈冰糖狀形貌，并在晶界處伴有二次裂紋，如圖3、圖4所示。瞬斷區是由平坦的小平面、微孔及撕裂棱組成的準解理斷裂特征，如圖5所示。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 裂紋源

圖4 擴展區

圖5 瞬斷區

2.3 材質測試

采用GB/T 4336—2002 《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》規定進行測試，結果滿足供應商提供的材料協議。

2.4 硬度測試

在故障件斷口附近和新試樣相似位置取樣，采用GB/T 230.1—2009 《金屬材料洛氏硬度測試方法》進行測試，失效件和對比件硬度為47.0～48.5HRC，滿足工藝要求的42～50HRC。根據德標DIN50150進行強度換算，抗拉強度為1500～1600MPa，滿足抗拉強度≥1300MPa的要求。

2.5 金相分析

在斷口附近取樣進行金相分析，發現一條長度約1.4mm的裂紋（約為壁厚的1/4）如圖6、圖7所示。在裂紋兩側未見明顯脫碳現象（見圖8、圖9），裂紋剛直并沿晶界擴展，是典型因冷卻速率過快而引起的淬火裂紋。

圖6 表面拋光態（50×）

圖7 表面侵蝕（100×）

圖8 斷口處（500×）

圖9 出口處（500×）

在新件相近位置取樣進行金相分析，兩個試樣表面均無脫碳現象（見圖10、圖11），未見明顯的非金屬夾雜物及其他缺陷，組織為均勻的回火屈氏體（865℃淬火+300℃回火），符合熱處理工藝要求。

圖10 樣品表面（500×）

圖11 對比試樣（500×）

3 討論分析

3.1 失效性質及原因分析

送檢樣品硬度和材質符合相關標準要求，裂紋兩側未見明顯脫碳現象，斷口呈現延遲斷裂特征。由生產工藝可知，產品在冷彎成形、約束淬火、冷校準和噴丸工序階段，將產生較大的應力。

34MnB5鋼中B元素在提高材料強度、淬透性同時，增加了淬火開裂傾向性。在對故障件批次生產工藝參數進行確認時，加熱溫度860℃，淬火冷卻介質溫度5℃，回火溫度300℃，淬火冷卻介質溫度屬生產最低淬火溫度，認為可能是因淬火冷卻介質溫度過低而引起開裂。水溶性淬火冷卻介質推薦使用溫度為20～40℃[6]。由于淬火過程最大冷卻速率一般出現在低溫階段，因此低溫淬火會增大開裂 傾向[7]。

為驗證不同溫度對34MnB5鋼開裂傾向的影響，將淬火冷卻介質初始溫度按表1進行設置，分別進行淬火驗證，試樣淬火開裂傾向結果見表1。測試結果表明，當淬火介質溫度為10～15℃時，出現淬火裂紋的概率明顯高于其他兩個溫度，且淬火裂紋出現的位置與產品斷裂的位置相似，均為冷彎折彎處，如圖12、圖13所示。其原因是工件在淬火時表層馬氏體形成速率相對較慢，從而在表面形成較低的壓應力，在隨后冷卻時，因心部馬氏體相變膨脹，最終導致表面具有較高的拉應力[8]。因馬氏體轉變的不同步及表面與心部存在應力差，所以更容易增大試樣應力或R角處造成開裂。當淬火冷卻介質溫度過低時，更容易開裂或在試樣表面形成裂紋，微裂紋的存在可能會導致零件早期斷裂。對其進行疲勞耐久試驗測試結果見表1，其宏觀斷口形貌與故障件宏觀特征相似。

圖12 折彎處磁粉檢測結果

圖13 桿部磁粉檢測結果

熱處理后需要通過機械校正來糾正工件的變形且校正后應進行消除殘余應力處理[9]。如果在高應力位置進行校正，在外力的作用下，可能導致產品內部提前產生微小裂紋[10]或進一步擴展試樣中存在的裂紋，從而加劇了使用過程中零件失效的風險。對不同狀態的試樣校準后進行耐久疲勞測試，結果見表1。

表1 不同溫度淬火結果

3.2 改進措施

為避免類似失效再次發生，建議從以下方面進行改善。

1）完善原始記錄表，將淬火冷卻介質初始溫度納入點檢表并制定標準溫度范圍，發現異常時及時進行調整。

2）建議嚴格管控淬火冷卻介質溫度，產品出廠前進行100%無損檢測，預防缺陷的產品流出。

3）避免因殘余應力、淬火拘束應力、冷卻速率過快及熱處理變形校正等多重因素疊加而造成的開裂，采取優化現有熱處理工藝，使用冷卻速率更緩慢的PAG[11，12]淬火冷卻介質措施。

4 結束語

1) 零件斷口特征為脆性開裂，開裂原因為試樣表面處在淬火裂紋處。

2) 零件裂紋源區微觀斷口具有延遲開裂特征，主要與淬火拘束應力、冷卻速率及變形校正有關，其中熱處理工藝不當為斷裂的內因，機械校正為外因。