汽車減振器活塞桿疲勞斷裂失效分析

關(guān)亮亮，陳 雙

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

為了減輕和削弱汽車在行駛過程中由于路面起伏而產(chǎn)生的撞擊和振動，保證汽車在道路上行駛的安全性，汽車減振器的存在至關(guān)重要。將減振器安裝在汽車上便于駕駛員對汽車的操縱，在提升駕駛舒適性的同時(shí)，還可以延長汽車上各個(gè)零件的使用壽命［1］。減振器在汽車減振系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的組成部分，通常安裝在車輪的上方和螺旋彈簧的內(nèi)部。減振器的種類很多，但最常用的是液壓減振器［2］。液壓減振器的活塞桿由于受到阻尼力的影響，產(chǎn)生了拉-壓的交替作用，因此是一種具有較高強(qiáng)度的疲勞損傷部件［3］。汽車減振器在生產(chǎn)制造過程中，產(chǎn)生的淬火裂紋會導(dǎo)致活塞桿在使用中出現(xiàn)提前斷裂的現(xiàn)象［4］，采用熱處理工藝技術(shù)，優(yōu)化減振器活塞桿的生產(chǎn)制造工藝，會淡化淬火裂紋，但是對活塞桿成品進(jìn)行壓彎檢測試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)活塞桿的下壓量達(dá)到10mm就會導(dǎo)致活塞桿由于過度疲勞而發(fā)生斷裂，因此，分析活塞桿的疲勞斷裂失效現(xiàn)象十分重要。減振器通常在車軸與車體之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，氣缸內(nèi)部的活塞也會同步運(yùn)動，而活塞桿在氣缸內(nèi)部作為一種支持活塞運(yùn)動和做功的部件，往復(fù)運(yùn)動非常頻繁，對活塞桿的技術(shù)要求也比較高［5］。但是在實(shí)際的減振系統(tǒng)中，減振器的工作環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)各種失效故障。由于活塞桿是旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)鍵零部件，它的耐磨特性和表面的抗磨性都很高，通常采用電鍍的方法［6］，可以有效地提高軸和桿的表面強(qiáng)度和抗磨蝕能力，但是表面的涂層在磨蝕過程中會出現(xiàn)微小的裂縫［7］，從而使其表面出現(xiàn)細(xì)小的裂縫，從而引起減振器活塞桿的斷裂失效。

基于以上研究背景，以汽車減振器活塞桿為研究對象，對活塞桿的疲勞斷裂失效進(jìn)行深度分析，以提高汽車行駛的安全性。

2 材料與方法

2.1 化學(xué)成分

當(dāng)汽車減振器活塞桿發(fā)生疲勞斷裂失效時(shí)，從已經(jīng)斷裂的活塞桿上，避開鍍鉻層選取一塊試件，利用光譜儀分析試件的化學(xué)成分［8］。汽車減振器活塞桿的化學(xué)成分，如表1所示。

表1 汽車減振器活塞桿的化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of Piston Rod of Automobile Shock Absorber

表1 中的數(shù)據(jù)是根據(jù)《非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼》的相關(guān)指標(biāo)規(guī)定［9］，給出了減振器活塞桿斷裂試件的化學(xué)成分及含量。

2.2 儀器設(shè)備

分析汽車減振器活塞桿斷裂失效故障所用到的儀器設(shè)備，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Tab.2 Experimental Instruments and Equipment

2.3 測試方法

汽車減振器活塞桿斷裂之后，采用DL型號的數(shù)碼相機(jī)拍攝一張斷裂后的活塞桿截面［10］，觀察斷裂截面的宏觀形貌。根據(jù)電子掃描顯微鏡的工作原理，分析斷面的微觀形貌，利用牛津能譜儀，對試件的微觀區(qū)域成分進(jìn)行測量。在測試活塞桿的硬度時(shí)，直接利用全自動維氏硬度計(jì)完成試件的顯微硬度測試，硬度計(jì)在工作狀態(tài)下的載荷設(shè)置為50g，并在該載荷下讓全自動維氏硬度計(jì)保持運(yùn)行10s。剖面金相分析中，先對試件切割處理，并利用砂紙對試件的表面打磨，再將金剛石研磨膏涂抹在試件表面，利用柔性拋光工具對試件表面進(jìn)行拋光處理，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸酒精溶液作為金相分析試劑，將其噴到試件的表面，放置在金相顯微鏡上，對含有硝酸酒精溶液的試件進(jìn)行剖面金相分析。

3 結(jié)果分析

3.1 宏觀斷口分析

當(dāng)汽車減振器活塞桿發(fā)生疲勞斷裂后，其斷口的宏觀形貌，如圖1所示。

圖1 活塞桿斷裂位置的宏觀形貌Fig.1 Macro Morphology of Fracture Location of Piston Rod

根據(jù)圖1的結(jié)果可知，減振器活塞桿疲勞斷裂位置是一個(gè)銀灰色的斷口，通過外觀形貌的觀察發(fā)現(xiàn)存在兩種特征，在斷口的最外層，存在一個(gè)大約1.2mm的瓷狀特征，其他區(qū)域的特征是一個(gè)放射狀的斷口，減振器活塞桿發(fā)生疲勞斷裂的主要來源就是試件外表面，根據(jù)斷口的宏觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，試件具有一定的脆性開裂特征。

3.2 微觀斷口及能譜分析

利用電子掃描顯微鏡對減振器活塞桿的斷口進(jìn)行電鏡分析，活塞桿斷口的微觀形貌，如圖2所示。

圖2 活塞桿斷口的微觀形貌Fig.2 Micromorphology of Piston Rod Fracture

根據(jù)圖2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，活塞桿斷口的微觀形貌由4個(gè)區(qū)域組成，編號為A～D，針對4 個(gè)不同區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行分析。活塞桿斷口各區(qū)域微觀形貌，如圖3所示。

圖3 活塞桿斷口各區(qū)域微觀形貌Fig.3 Micromorphology of Each Area of Piston Rod Fracture

圖3中，最外層D區(qū)是鍍層的斷口形貌，存在比較細(xì)小且偏淺的裂紋，斷口鍍層除了包含基本化學(xué)元素外，還具有非常高的Cr 元素。次外層A區(qū)呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理形貌，根據(jù)微觀形貌分布情況，發(fā)現(xiàn)雞爪狀裂痕和淺韌窩狀裂痕是該區(qū)主要裂痕的形態(tài)，此外，還有少量的孔洞分布在微觀形貌中。在B區(qū)域中，活塞桿的斷口是韌窩狀與沿晶狀相結(jié)合的形貌。活塞桿的斷口C區(qū)，處于解理的微觀形貌，可以明顯觀察到斷面解理的刻面和臺階，同時(shí)，還存在比較少量的河流花樣，分布在活塞桿斷口的扇形解理刻面上，而且存在二次裂紋，C區(qū)的斷口沒有一絲異常夾雜。

對于汽車減振器活塞桿斷口試件，對鍍層的能譜進(jìn)行了分析。斷口鍍層能譜分析結(jié)果，如表3所示。

表3 斷口鍍層能譜分析結(jié)果Tab.3 Energy Spectrum Analysis Results of Fracture Coating

斷口鍍層能譜圖，如圖4所示。從以上結(jié)果可以看出，汽車減振器活塞桿斷口鍍層中，Cr元素的重量和原子百分比最高，說明斷口鍍層主要是由Cr組成，其中還夾雜著Fe、O元素，在活塞桿斷口處脆性較大的地方，除了Cr的含量比較高以外，F(xiàn)e元素的含量也比較豐富，說明這種元素分布增加了脆性。

圖4 斷口鍍層能譜圖Fig.4 Energy Spectrum Diagram of Fracture Coating

3.3 剖面金相分析

當(dāng)汽車減振器活塞桿發(fā)生斷裂之后，選擇裂縫源區(qū)為金相分析區(qū)域，選取一塊與裂紋方向垂直的試件，對活塞桿剖面的金相組織進(jìn)行分析。活塞桿剖面金相組織分析結(jié)果，如圖5所示。

圖5 活塞桿剖面金相組織分析結(jié)果Fig.5 Analysis Results of Metallographic Structure of Piston Rod Section

根據(jù)圖5 的結(jié)果可知，在減振器活塞桿剖面的金相橫斷面上，減振器活塞桿的底板上出現(xiàn)了許多細(xì)小的裂縫，這些裂縫的直徑大概在290mm，這些細(xì)小的裂縫就像是鍍鋅的龜裂一樣，但是在這些細(xì)小的裂縫附近卻沒有任何的鍍鉻痕跡，這表明了汽車減振器的底板開裂是因?yàn)樵诨钊麠U表面鍍鉻層的細(xì)小裂縫出現(xiàn)了向內(nèi)延展的趨勢。在活塞桿的表面存在15.5μm厚度的鍍鉻層，因?yàn)闇p振器活塞桿的表面經(jīng)過了硬化，所以不會產(chǎn)生脫碳性。減振器活塞桿剖面鍍鉻層的金相結(jié)構(gòu)中并沒有觀察到明顯的缺陷。

在高倍掃描電鏡下，可以觀察到減振器活塞桿斷口的次表層細(xì)微裂紋中，沒有任何填充物存在。夾雜物在斷口源區(qū)附近的形貌，如圖6所示。

圖6 夾雜物的形貌Fig.6 Morphology of Inclusions

由圖6的結(jié)果可知，在《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》的基礎(chǔ)上，當(dāng)汽車減振器活塞桿由于疲勞發(fā)生斷裂之后，評定了夾雜物在斷口源區(qū)附近的等級情況，發(fā)現(xiàn)活塞桿斷口源區(qū)附近的夾雜物屬于環(huán)狀氧化物類別，等級為細(xì)系1級。

3.4 顯微硬度測試

當(dāng)汽車減振器活塞桿出現(xiàn)疲勞斷裂時(shí)，以源區(qū)附近為測試區(qū)域，選擇一塊剖面試件，使用指定機(jī)械反復(fù)打磨試件，并利用金剛石研磨膏均勻地涂抹在試件的表面，對其拋光處理之后，測試了試件的顯微硬度，硬度測試過程中從剖面試件的邊緣向中心進(jìn)行打點(diǎn)，打點(diǎn)的間隔為0.1mm。活塞桿疲勞斷裂的顯微硬度分布圖，如圖7所示。

圖7 活塞桿疲勞斷裂的顯微硬度分布圖Fig.7 Microhardness Distribution Diagram of Piston Rod Fatigue Fracture

從圖7的結(jié)果可以看出，在鍍鉻區(qū)，活塞桿疲勞斷裂的顯微硬度為1001.7HV，在表面淬硬層，活塞桿疲勞斷裂的顯微硬度在（400～643）HV 之間，在過渡區(qū)，顯微硬度的變化區(qū)間在（628～400）HV之間，基材的硬度均值為360HV，比其他三個(gè)區(qū)域的顯微硬度都低。根據(jù)活塞桿疲勞斷裂的顯微硬度分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，除了基材以外，其他三個(gè)區(qū)域的總厚度為0.9mm左右，滿足活塞桿硬化深度在（0.6～1.5）mm之間的要求。

3.5 殘余應(yīng)力測試

采用濃度為30%的氫氧化鈉溶液陽極電解方法，將汽車減振器活塞桿表面的鍍鉻層去除，測試斷裂試件和完好試件的殘余應(yīng)力情況。汽車減振器活塞桿表面的殘余應(yīng)力結(jié)果，如圖8所示。

圖8 汽車減振器活塞桿表面的殘余應(yīng)力Fig.8 Residual Stress on Piston Rod Surface of Automobile Shock Absorber

根據(jù)圖8 的結(jié)果可知，汽車減振器活塞桿發(fā)生疲勞斷裂之后，橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力都非常高，而完好件始終處于低水平，雖然斷裂件的殘余應(yīng)力都超過了350MPa，但是在縱向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大，可以達(dá)到500MPa，由于汽車減振器活塞桿發(fā)生疲勞斷裂之后，有一部分殘余應(yīng)力會自動釋放，因此，活塞桿在淬火初期產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會偏高一些。

3.6 氣體氫含量測試

對于試件的氣體氫含量，可以在電鍍層附近和心部位置進(jìn)行取樣，利用氧氮?dú)渎?lián)測儀的工作原理，測試了試件的氫含量。氣體氫含量測試結(jié)果，如圖9所示。

圖9 氣體氫含量測試結(jié)果Fig.9 Gas Hydrogen Content Test Results

從圖9的結(jié)果可以看出，試件在近表面附近的氣體氫含量明顯高于心部位置，這一結(jié)果可以說明汽車減振器活塞桿出現(xiàn)疲勞斷裂是由于活塞桿表面氫脆引起的。

4 結(jié)語

為了明確活塞桿疲勞斷裂失效的主要影響因素，對汽車減振器活塞桿疲勞斷裂的形貌進(jìn)行宏觀、微觀分析以及剖面金相分析、顯微硬度測試、殘余應(yīng)力測試、氣體氫含量測試。宏觀上發(fā)現(xiàn)試件表面存在脆性開裂特征，結(jié)合微觀與能量譜發(fā)現(xiàn)試件中的Cr、Fe元素較高，使得試件的脆性明顯，微觀上出現(xiàn)二次裂紋，而試件的金相結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯的缺陷，除了基材之外其他三個(gè)區(qū)域的顯微硬度均滿足要求，表明二者不是導(dǎo)致試件疲勞斷裂的主要因素，殘余應(yīng)力測試顯示出塞桿在淬火初期產(chǎn)生的殘余應(yīng)力偏高，氣體氫含量測試結(jié)果顯示出試件在近表面附近的氣體氫含量明顯高于心部位置。綜合上述測試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：脆性大、氫含量高以及淬火裂紋是引起汽車減振器活塞桿出現(xiàn)疲勞斷裂的主要原因。在今后的研究中，希望可以利用電解的方法，當(dāng)汽車減振器活塞桿鍍一層鉻之后，去除活塞桿表面的氫元素，并嚴(yán)格執(zhí)行去氫電解工藝制度，避免由于鍍鉻問題而出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致汽車減振器活塞桿出現(xiàn)疲勞斷裂失效。