拖車鉤斷裂失效分析與優(yōu)化

秦興祖，張雯，蒯振

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

1 序言

拖車鉤是用于連接車輛自身與其他牽引車輛的裝置，安裝在汽車的頭部和尾部。當(dāng)車輛遇到打滑、故障等情況無法正常行駛時，可通過拖車鉤借助其他車輛和牽引裝置進行救援[1]。裝配式拖車鉤采用分體式結(jié)構(gòu)，螺紋管焊接在防撞梁上，拖車鉤置于隨車工具箱中，當(dāng)有需要時拖車鉤和螺紋管可裝配使用[2]。拖車鉤需滿足法規(guī)強制要求，若在使用過程中出現(xiàn)斷裂等失效問題，則會對用戶滿意度造成損害，甚至可能會發(fā)生危險情況[3]。

某車型的裝配式拖車鉤，在設(shè)計開發(fā)階段進行功能驗證試驗，進行至第8個工況（共15個工況）左側(cè)30°壓工況下，力加載至額定值的91.6%時發(fā)生斷裂。拖車鉤斷裂發(fā)生在螺紋向本體過渡的機加工位置，如圖1所示。拖車鉤設(shè)計材料為40Cr鋼（GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》），材料性能要求屈服強度≥785MPa、抗拉強度≥980MPa、斷后伸長率≥9%。為明確斷裂失效原因，使用直讀光譜儀、掃描電鏡、金相顯微鏡和維氏硬度計對斷裂的拖車鉤進行了化學(xué)成分、斷口、金相組織和硬度檢測分析。

圖1 斷裂的拖車鉤

2 斷口檢測與分析

拖車鉤斷口分布著眾多亮晶晶的小平面，宏觀形貌如圖2a所示；在掃描電鏡下觀察，斷口分布著放射狀條紋，具備典型的脆性斷裂特征[4]，SEM宏觀形貌如圖2b所示（紅色箭頭為斷裂方向）；斷裂起始位置未見明顯的機加工或滾齒缺陷，部分區(qū)域已磨損，如圖2c所示；將其中未磨損區(qū)域的斷口形貌放大進行觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂方式具有混合斷裂的特征，其微觀形貌大部分區(qū)域呈河流花樣[5]，具備典型的解理斷裂特征；小部分區(qū)域呈韌窩形貌，具備典型的韌性斷裂特征，斷面同時分布著次生裂紋，如圖2d所示；裂紋擴展區(qū)域斷口呈解理斷裂形式，同時分布著次生裂紋，如圖2e所示；斷裂終了位置斷口微觀形貌呈從解理斷口向剪切韌窩形貌過渡，如圖2f所示。

圖2 斷裂的拖車鉤斷口形貌

3 金相組織和硬度檢測與分析

采用金相顯微鏡對拖車鉤心部進行檢測，金相組織為細(xì)網(wǎng)狀、針狀和塊狀分布的鐵素體及片狀珠光體[6]，晶粒粗大且部分區(qū)域鐵素體沿晶界向珠光體內(nèi)部生長，呈針片狀析出，形成魏氏組織[7]，如圖3a、b所示。此類組織具備典型的鍛造過熱組織特征，使鋼的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌度顯著降低，抗裂紋擴展能力因晶界減少而降低[8]，工程應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)。表面金相組織為塊狀鐵素體和片狀珠光體，具備典型的脫碳組織特征，如圖3c所示。為進一步確認(rèn)斷裂起始位置是否存在滾齒等機加工缺陷，取斷裂失效的拖車鉤同批次零件進行金相檢測，斷裂起始位置過渡相對平緩，無折疊、裂紋、尖角等缺陷，如圖3d所示。對斷裂失效的拖車鉤進行維氏硬度檢測，結(jié)果為220HV10，根據(jù)ISO 18265：2013《金屬材料 硬度值的換算》，將硬度轉(zhuǎn)化成抗拉強度為705MPa，與設(shè)計要求的抗拉強度（≥980MPa）存在一定差距。

圖3 斷裂的拖車鉤和同批次拖車鉤金相組織

4 化學(xué)成分檢測與分析

使用直讀光譜儀對斷裂的拖車鉤進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。其中，C、Si、Mn、Cr含量符合GB/T 3077—2019《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，P、S元素符合設(shè)計材料要求，因此可排除材料使用有誤的情況。

表1 斷裂的拖車鉤化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

5 斷裂失效原因分析及整改措施驗證

經(jīng)與生產(chǎn)廠家溝通確認(rèn)，拖車鉤生產(chǎn)工藝路線為：下料→拋丸→加熱→鍛壓成形→切飛邊→沖孔→锪孔→機加工→拋丸→滾齒→表面處理。

結(jié)合化學(xué)成分、斷口、金相組織和硬度檢測分析結(jié)果，確定拖車鉤斷裂失效原因為：生產(chǎn)工藝路線中缺少熱處理工藝，導(dǎo)致成品件金相組織仍然為鍛造過熱組織，晶粒粗大且呈魏氏組織傾向，強度不滿足設(shè)計要求，且韌性較差，因此在試驗過程中出現(xiàn)脆性斷裂。

根據(jù)斷裂失效原因，建議對拖車鉤進行調(diào)質(zhì)處理，以消除鍛造過熱組織，并形成調(diào)質(zhì)組織來提高強度至滿足設(shè)計強度要求。對整改后的拖車鉤零件進行金相組織和維氏硬度檢測，心部和表面金相組織均為調(diào)質(zhì)組織（見圖4）。硬度為338HV10，根據(jù)ISO 18265：2013將其轉(zhuǎn)化成抗拉強度為1063MPa，符合設(shè)計強度要求。在之后進行的功能驗證試驗中，15個工況全部通過。

圖4 整改后的拖車鉤金相組織（腐蝕劑：2%硝酸酒精）

6 結(jié)束語

1）此次開發(fā)驗證試驗在左側(cè)30°壓工況下斷裂的拖車鉤斷裂形式為脆性斷裂，斷口形貌主要為解理斷裂形式，并分布著次生裂紋。

2）造成拖車鉤斷裂的原因為：沒有對拖車鉤進行調(diào)質(zhì)處理，鍛造過熱組織的晶粒粗大并呈魏氏組織傾向，強度不足且韌性較差，試驗中不能承受載荷發(fā)生過載斷裂。

3）對拖車鉤進行調(diào)質(zhì)處理，消除鍛造過熱組織并形成調(diào)質(zhì)組織，可以有效地解決斷裂問題并通過功能驗證試驗。

4）設(shè)計開發(fā)階段應(yīng)對零部件性能與生產(chǎn)路線匹配性進行確認(rèn)，開發(fā)驗證試驗前應(yīng)對零部件材料性能是否滿足圖樣設(shè)計要求進行檢測確認(rèn)。