汽車前空心穩定桿斷裂分析

宋文斌，郭秋彥，姜發同，劉旭亮，喬蒙

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

懸架系統采用空心穩定桿是近年來部分OEM 在實施輕量化減重時考慮的一個重要方案，其可獲得（30～45）%的減重效果，因此空心穩定桿成為目前穩定桿領域的研究熱點[1]。綜合減重比、布置空間及成本三方面因素考慮，C、D 級大型SUV 或MPV 車型使用空心穩定桿具有較高的性價比，大型SUV 因為車重較大及對越野性能的追求，空心穩定桿會承受更大的應力，同時，空心穩定桿應力是隨著重量減輕率的增大而增大[2]，為保證車輛在行駛過程中的安全性和可靠性，對空心穩定桿的材料性能、后處理工藝等提出了更高的要求。

1 失效描述

某C 級SUV 車型前穩定桿在綜合循環耐久路試2 萬公里時斷裂失效，穩定桿使用34MnB5 無縫鋼管制造，公稱壁厚7 mm，整體采用冷彎成型后進行淬火及中溫回火處理，隨后對兩端端頭進行加熱鍛壓封閉并經過二次回火處理。有限元應力分析結果顯示，使用經過淬火及中溫回火處理后34MnB5 材料性能可滿足各工況下穩定桿承受的應力，初步懷疑穩定桿斷裂是由于其存在質量缺陷導致，本文通過檢測分析及對影響穩定桿質量的各關鍵要素排查后尋找出穩定桿斷裂失效的原因，并提出改進措施。

2 檢驗分析

2.1 理化檢測及分析

1）化學成分分析

在斷裂件取樣后進行化學成分分析，各組分含量滿足技術要求，見表1。

表1 34MnB5 成分技術要求及實測值（質量分數%）

2）金相組織檢測

在同批次原材料上取樣進行金相組織檢測，整個截面均為帶狀組織，評定級別為3 級，具體見圖1。

圖1 原材料金相圖

在斷裂件斷口位置取樣進行金相組織分析，同一截面上存在兩種組織，靠近管壁外側為回火屈氏體圖2（a），靠近管壁內側為帶狀組織及回火屈氏體圖2（b），其中帶狀鐵素體為不允許出現的異常組織。

圖2 金相組織檢測分析圖

3）硬度檢測

穩定桿本體洛氏硬度要求（42～48）HRC，將金相試樣處理后進行硬度檢測，靠近管壁外側硬度值為45 HRC，靠近管壁內側處為33 HRC，管壁內側硬度值不滿足技術要求，印證了金相組織分析結果，有帶狀鐵素體存在的區域硬度遠低于技術要求。

2.2 斷口分析

對斷口進行宏觀及微觀形貌分析，為便于分析與記錄，將斷裂區分為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區，斷裂位置及斷面宏觀形貌見圖3。

圖3 穩定桿斷裂位置及斷口宏觀形貌圖

將斷裂穩定桿剖開后發現內壁銹蝕嚴重，在Ⅰ區管壁內側發現多處坑洞缺陷，其中一處坑洞正好處在斷口處，坑洞相比其他區域銹蝕程度更為嚴重，坑洞無明顯尖銳角（圖4），排除其是斷裂后磕碰所致。

圖4 Ⅰ區坑洞缺陷

對Ⅱ區有明顯從Ⅰ區內壁開始的放射條紋部位進行微觀形貌分析，發現存在沿晶斷裂圖5（a）、圖5（b）的特征。

圖5 沿晶斷裂圖

Ⅲ區在管壁外側均存在有撕裂棱，表明此區域為最后斷裂的區域，在Ⅲ區C 處發現數量較少的韌窩（圖6）。Ⅲ區B 斷面復雜，呈現多個方向撕裂的特征，表明在此區域應力狀態已發生了很大的變化，為最后斷裂處。

圖6 Ⅲ區C 處韌窩

建立有限元模型，兩端卡箍處約束，端頭處施加相反方向的靜載荷，采用Abaqus 非線性分析，最后結果表明斷裂起始位置為應力集中處（圖7）。

圖7 斷裂處應力云圖

綜合分析后認為，穩定桿斷裂初始位置在應力集中的缺陷部位，最后在沖擊、扭轉等載荷作用下斷裂。

3 分析及討論

通過理化檢測及分析結果，從以下三個方面就穩定桿斷裂失效的原因進行論述：

3.1 原材料性能及質量

對整個制造過程進行追溯后發現，原材料空心管在進行光亮退火處理時保溫時間短，致使原材料鋼管中存在大量的帶狀組織。帶狀組織造成了鋼的各向異性，降低了力學性能、切削性能、塑性成形性能和淬透性，淬火后易形成混晶組織和非馬氏體組織[3]。

穩定桿斷裂位置處于應力集中的部位，存在的缺陷會加劇此處的應力集中程度并加大應力。坑洞缺陷來源于原材料鋼管本身，在原材料制造過程中，由于鋼錠坯料尺寸偏小導致減徑量減少，拉拔次數少致使凹坑缺陷不能完全去除，后續渦流探傷的靈敏度不夠，導致缺陷材料放行。

3.2 熱處理工藝

空心穩定桿采用兩端電極加熱的方式，為保證穩定桿所有區域最后均熱至900 ℃，通過不同的加熱時段及調整電流大小達到既定的溫度，由于空心穩定桿彎曲部位的截面為半橢圓形，壁厚不一，在淬火加熱時間較短的情況下壁厚較大的部位沒有達到既定的溫度，導致材料沒有完全奧氏體化，原材料中的帶狀組織在淬火后沒有完全消除，帶狀組織的存在導致穩定桿硬度降低，硬度降低則表示材料強度及疲勞壽命的下降。

晶界是材料強化的重要因素，只有在晶界弱化的條件下才會發生沿晶斷裂。沿晶斷裂通常是與一定的熱處理、環境,或應力狀態相關[4]，根據穩定桿斷裂形貌特征及斷裂環境，排除應力腐蝕開裂、高溫沿晶開裂。由于Mn 元素會將發生第一類回火脆性的溫度向上推移，而前穩定桿回火溫度為350 ℃，推斷是由于穩定桿回火溫度偏高造成第一類回火脆性。北京科技大學程俊業等人對與34MnB5 相近的30MnB5 回火后的組織及性能進行研究后發現，30MnB5 在300 ℃回火后強度及強塑積等綜合性能達到了一個較高的水平[5]。我們認為34MnB5 也應在低于350 ℃的溫度下進行回火處理，避免產生第一類回火脆性，獲得最優的綜合力學性能。

3.3 防腐處理

原材料采用光亮退火處理，并涂有防銹油進行保護，在制造過程中也沒有銹蝕產生的誘因，因此穩定桿兩端端口在墩鍛閉合后未進一步密封處理，水汽等腐蝕介質浸在路試過程中浸入導致空心管內產生銹蝕。有分析認為，隨著穩定桿強度和應力的提高，由應力腐蝕斷裂導致的失效也逐漸增多[6]，由于在穩定桿斷口處未發現有二次沿晶裂紋，因此，排除此次斷裂屬于應力腐蝕開裂。銹蝕會在自然條件下蔓延擴展，尤其是在穩定桿內壁存在坑洞的缺陷下，銹蝕會加速擴展，導致穩定桿疲勞性能的下降。

4 結論及改善措施

4.1 結論

此次路試車前穩定桿斷裂的原因是多方面的：①斷裂部位處在穩定桿彎曲的應力集中部位，存在的坑洞缺陷加劇了此處了應力集中程度，并加大了此處的應力，屬于疲勞斷裂源區；②原材料中存在帶狀組織及熱處理工藝制定不合理，在隨后的成品中出現了不完全淬火組織導致材料硬度降低；㈢回火溫度偏高導致材料回火脆性的問題；④銹蝕。

4.2 改善措施

1）原材料中存在帶狀組織，雖然這種纖維狀組織及織構對穩定桿冷彎成型有一定的好處，但需保證其等級低于2 級且在淬火時完全消除。延長淬火加熱時間使材料充分奧氏體化，可消除原材料中的帶狀組織，使硬度值滿足技術要求。

2）原材料存在坑洞缺陷，需在制造過程中避免，原材料鋼管須進行渦流探傷檢測，并明確缺陷的接受級別，避免缺陷材料出廠。

3）降低回火溫度，將穩定桿淬火后分別在300 ℃、325 ℃、350 ℃溫度下進行回火處理，經過檢測后發現，在300 ℃回火處理后強度及延伸率均滿足技術要求，材料的硬度顯著提高，同時獲得最大的沖擊吸收功，因此將穩定桿回火溫度設定為300 ℃是最為合理的。

4）在穩定桿兩端端口涂密封膠將空腔進行封閉處理，防止腐蝕介質浸入造成銹蝕。