車門限位臂導向板斷裂失效分析

李應軍 周 林

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

車門限位臂導向板斷裂失效分析

李應軍 周 林

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

某車門限位臂導向板經約1萬次臺架耐久試驗后發生了斷裂。通過化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、斷口觀察、能譜分析等試驗方法，確定了限位臂導向板的斷裂失效模式屬于疲勞斷裂，斷裂主要原因是零件表面在熱處理過程中發生了脫碳，脫碳層深度約為0.15 mm。在實際工藝中應采用氣體保護措施，從而確保零件表面無明顯脫碳現象，進而提高工件質量。

車門 限位臂導向板 疲勞斷裂 脫碳

某車門限位臂導向板采用厚度為2 mm的60Si2Mn彈簧鋼材料，主要經落料、成型、沖孔、豁孔、調質熱處理、噴丸等工藝生產而成。60Si2Mn鋼屬于Si-Mn系彈簧鋼，在常規中碳鋼的前提下增加了Si、Mn元素含量［1］。由于硅、錳的加入，顯著強化了鐵素體，使鋼的彈性極限大幅提高，屈強比可達0.8～0.9。但一方面，60Si2Mn彈簧鋼碳和硅的含量較高，高溫長時間加熱易發生脫碳現象；另一方面硅促進脫碳傾向，錳增大了鋼的過熱敏感性，容易產生裂紋［2-3］。影響彈簧鋼質量的重要因素有鋼中非金屬夾雜物和脫碳等表面缺陷［4-6］。鋼中粗大夾雜物增多，彈簧鋼性能惡化，降低氧含量與控制鋼中夾雜物的組成、形態和分布成為高質量彈簧鋼生產的重點。彈簧鋼的表面缺陷中最常見的是脫碳，脫碳層的存在嚴重影響彈簧的疲勞壽命和硬度。有資料［7］表明，脫碳層厚度達到0.1 mm時就會對彈簧鋼的抗疲勞性能產生很大影響，表面達不到所要求的硬度和強度，在交變應力的作用下容易產生裂紋。

試驗限位臂導向板性能要求為：硬度在42～46 HRC范圍內，臺架耐久試驗7.5萬次不失效。但在實際臺架耐久試驗進行到約1萬次時導向板發生了斷裂，離要求相差甚遠，導向板的幾何尺寸和斷裂位置如圖1所示。為找出車門限位臂導向板發生斷裂的原因以及提出改進的建議，本研究通過化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、斷口觀察、能譜分析等試驗方法加以探索。

圖1 導向板的幾何尺寸和斷裂位置Fig.1 Geometric dimension and fracture position of the guide plate

1 試驗材料與方法

為分析60Si2Mn鋼車門限位臂導向板斷裂的主要原因，首先在斷裂件大面上取樣，用砂紙磨去零件表面的氧化層，借助SPECTRO MAXx06直讀光譜儀對樣品表面進行化學成分測試，之后將樣品表面繼續磨去0.3 mm左右，并對樣品心部進行化學成分測試；其次借助Wilson Tukon2500硬度計對零件表面、心部、斷口附近進行硬度測試；再次在斷口處取樣，經鑲嵌、磨拋、腐蝕制備成金相試樣，借助ZEISS AXIO IMAGER M2m金相顯微鏡對樣品進行非金屬夾雜物檢測、金相組織觀察；最后借助INSPECT S50掃描電鏡對斷口表面形貌進行觀察，并通過掃描電鏡自帶的能譜分析系統對斷口邊緣和中部進行元素半定量分析比對。

2 試驗結果與討論

2.1 夾雜物觀測

為檢驗導向板的斷裂是否是由于彈簧鋼中非金屬夾雜物形態、數量、尺寸的控制不當所致，對夾雜物的數量、大小及分布進行觀察，如圖2所示。根據ASTME45-05非金屬夾雜物的評級方法對圖2中的夾雜物進行評級，結果為A 2.5、B 0.5、C 1.5、D 0.5。夾雜物數量、大小及分布滿足60Si2Mn材料規范GB／T 1222-2007中的要求，故夾雜物的分布不是造成彈簧鋼斷裂的原因。

圖2 導向板斷口處非金屬夾雜物數量及分布（拋光態）Fig.2 Amount and distribution of the non-metallic inclusions on fracture surface of the guide plate（in a polishing state）

2.2 能譜分析

對樣品斷面不同位置一定區域內進行能譜測試，斷面邊緣和中部的元素含量測試結果如表1所示，斷面邊緣的能譜圖如圖3所示，斷面中部的能譜圖如圖4所示。可見，斷面邊緣和中部顯示為Fe基體成分，兩個位置成分基本沒有差異，且無異常變化，故零件斷裂的原因也不是表面氧化、腐蝕。

表1 斷面邊緣和中部元素分析結果（質量分數）Table 1 Results of element analysis in edge and middle of the fracture（mass fraction）%

2.3 化學成分分析

斷裂零件表面和心部的化學成分檢測結果如表2所示。零件心部的碳質量分數為0.62%，而表面的碳質量分數只有0.53%，表現出了明顯的脫碳現象，其他元素含量在表面和心部基本沒有差異。脫碳的本質是碳原子的擴散，碳素鋼表層碳原子受熱振動，其逸出功上升，增大了碳原子脫離金屬晶格束縛的趨勢，同時碳原子與氧原子的親和力大于碳原子和鐵原子的親和力，從而出現了碳原子的擴散現象。

圖3 導向板斷面邊緣能譜圖Fig.3 EDS patterns in edge of the guide plate fracture

圖4 導向板斷面中部能譜圖Fig.4 EDS patterns in middle of of the guide plate fracture

表2 導向板不同位置處和標準要求化學成分（質量分數）Table 2 Chemical composition in different sites of the guide plate and the required composition（mass fraction）%

2.4 硬度測試

脫碳層的出現往往會導致零件表面硬度的下降，李家寶［8］等曾用X射線衍射線半高寬和顯微硬度對脫碳層的軟化進行了表征，結果顯示脫碳層會嚴重影響彈簧的疲勞壽命和硬度。斷裂零件表面、心部和斷口附近的硬度測試結果如表3所示。可以看出，零件表面、心部和斷口的硬度值均低于設計要求（42～46 HRC），尤其是零件表面的硬度最低，這也進一步證實了零件表面發生了脫碳現象。

表3 導向板不同位置硬度檢測結果Table 3 Hardness in different sites of the guide plate

2.5 金相分析

試樣斷口經4%硝酸酒精侵蝕后，其組織形貌如圖5所示。可以看出，零件表面脫碳相當嚴重，全脫碳層深度約為0.15 mm，脫碳層的出現導致表面硬度低并形成拉應力，從而大大降低零件的疲勞壽命。

經與供應商交流后確認，零件在進行調質處理時未采取任何防止脫碳的措施，使得彈簧鋼零件表面與爐氣間存在較大的碳化學位梯度，促進了表面脫碳現象的產生與加劇。因此，必須采取必要的氣體保護措施，以確保零件表面無明顯脫碳現象。

樣品斷口附近的顯微組織如圖6所示。圖6（a）為縱向組織形貌，可以看出基體縱向有明顯的帶狀組織。鋼中帶狀組織是鋼材內部的一種缺陷，一般認為，導致帶狀組織出現的最根本原因是元素偏析［9］。鋼材在熱加工后冷卻所產生的平行于加工方向、成明顯層狀的鐵素體帶與珠光體帶也會產生帶狀組織。鋼中出現的帶狀組織會導致其內部組織不均，并嚴重危害鋼材性能［10］，熱處理時鋼材容易產生畸變、開裂等不良后果。帶狀組織是縮減零件疲勞壽命的次要因素。從圖6（b）中可以看出，橫向截面組織為回火托氏體，滿足GB／T 1222-2007要求。

圖5 導向板斷口表面的組織形貌Fig.5 Microstructure in fracture of the guide plate

圖6 導向板斷口附近的顯微組織Fig.6 Microstructures near fracture of the guide plate

圖7 導向板斷口宏觀形貌Fig.7 Macroscopicmorphology of fracture of the guide plate

2.6 斷口分析

2.6.1 宏觀斷口分析

在體視顯微鏡下的斷口宏觀形貌如圖7所示，顯示為斷面平齊，斷裂源于零件內側。

2.6.2 SEM微觀斷口分析

圖8（a）為零件斷口的低倍SEM形貌，箭頭指向裂紋源，裂紋源位于零件斷口內側。圖8（b）為斷裂源附近斷口形貌，可以看到斷裂源附近表面有微裂紋（箭頭指向），這是裂紋源處的主裂紋在交變應力作用下擴展所致。裂紋源處表面形貌如圖8（c）和圖8（d）所示，可見斷口呈韌窩、疲勞臺階、擦傷及準解理特征，這說明零件失效模式屬于疲勞斷裂。彈簧片長期承受交變應力作用，因而疲勞斷裂是其主要破壞形式［11-12］。

如圖9所示，斷面中部發現有由非金屬夾雜物引起的條狀結構，該結構會降低零件的疲勞壽命。由圖10可以看出，斷口擴展區有疲勞條帶，這進一步證實了零件失效模式屬于疲勞斷裂，斷裂源于內表面受力最大處。

3 結論

（1）車門限位臂導向板的斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋源位于零件內表面，斷裂主要原因是零件在調質處理過程中產生了明顯脫碳（脫碳層深度約為0.15 mm）現象，引起表面硬度降低并形成拉應力，從而大大降低零件的疲勞壽命。

圖8 導向板斷面形貌圖Fig.8 Micrographs of fracture of the guide plate

圖9 導向板斷面中部形貌Fig.9 Micrographs of fracturemiddle of the guide plate

圖10 導向板斷口擴展區表面形貌Fig.10 Surfacemorphology of the fracture expanding zone of the guide plate

（2）建議導向板在調質處理過程中采用氣體保護措施，嚴格按彈簧鋼的調質處理工藝實施，確保零件表面無脫碳現象。

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收修改稿日期：2016-03-28

鋼鐵業去產能初見成效上半年業績喜人

隨著上市公司中報集中披露，今年上半年，上市鋼企盈利實現逆勢上揚。據機構統計數據，截至8月11日，34家鋼鐵上市公司中，已有5家鋼企發布上半年業績報告，其中4家鋼企凈利潤同比實現增長；另有17家鋼企發布了上半年業績預告，其中預喜企業達到11家。

具體來看，17家公司公告中，馬鋼股份預盈約為4.5億元，而在上一年度該企業巨虧48.04億元；酒鋼宏興預盈2.27億元，而在上一年該企業巨虧69.6億元；此外，三鋼閩光和杭鋼股份也分別預盈3.71億元和3.4億元，而這兩家鋼企在2015年分別虧損9.16億元和10億元。

業內人士認為，自國家提出去產能以來，鋼企自身在壓縮產能、調結構過程中確實取得了一定成效，而鋼價上漲、鋼企盈利在一定程度上也可以視為鋼鐵行業去產能取得的效果。

民生證券研究報告指出，目前已有包括河北、山西等20個省份公布了鋼鐵行業去產能計劃。根據各省去產能的規劃，鋼鐵大省中，河北預計5年壓減1億t產能，江蘇、山東計劃壓減產能均在1 500萬t以上，重慶、天津、寶鋼壓減產能在800萬t至900萬t，其余大部分省份壓減產能均在300萬t至500萬t。

但目前各地去產能進展依然參差不齊。根據鋼鐵煤炭行業化解過剩產能和脫困發展工作部際聯席會議內容，截至7月底，鋼鐵行業去產能僅完成全年任務的47%，總體進度不理想，并且地區之間進展也不平衡。

羅維 供稿

Failure Analysis on the Guide Plate for an Auto Door

Li Yingjun Zhou Lin
（SAICMOTOR Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai200438，China）

The guide plate for an auto door has been fractured after being subjected to simulative durability tests about ten thousand times.The failure feature and cause of the guide plate were analyzed by chemical analysis，hardness test，metallographic examination，observation on fracture surfaces and EDSanalysis.The results showed that the fracture feature of the guide platewas fatigue fracture.The main cause of fracture was decarburization on the surface of the guide plate developed during heat treatment process.The depth of decarburization was about 0.15 mm.In practice，gas protection measures should be adopted to ensure no decarburization at the surface，thus improving quality of the guide plate.

auto door，guide plate，fatigue fracture，decarburization

李應軍，男，高級工程師，長期從事車身設計與開發工作，國家客標委委員，上汽優秀專業技術帶頭人，多次榮獲上汽技術創新一等獎，Email：yingjun＿li＠sina.com