耐久道路試驗中鋼支架斷裂原因分析

李迎超, 劉鵬鵬, 岳宗豪, 石海琳

(泛亞汽車技術中心有限公司, 上海 201201)

耐久道路試驗中鋼支架斷裂原因分析

李迎超, 劉鵬鵬, 岳宗豪, 石海琳

(泛亞汽車技術中心有限公司, 上海 201201)

某汽車用鋼支架，在耐久道路試驗過程中發生斷裂失效。通過化學成分分析、靜拉伸試驗、金相檢驗和斷口分析，對比了耐久道路試驗的失效件和合格件，分析了該鋼支架的斷裂原因。結果表明：失效支架材料中的碳含量很低，材料的晶界強度較弱；支架斷裂部位發生了較大沖壓形變，導致應力較大；二次加工脆性是支架沿晶疲勞斷裂的根本原因。

支架；耐久道路試驗；疲勞斷裂；碳含量；二次加工脆性

某汽車用鋼支架設計材料為國內常用的日本冷軋鋼板,牌號JIS G 3141-SPCC[1]，厚度2 mm。該支架在耐久道路試驗過程中發生了斷裂失效，斷裂部位為90°折彎部位，如圖1(a)中圓圈所示。同樣的耐久道路試驗中，另一支架100%通過了試驗，如圖1(b)所示，左側為耐久試驗合格件，右側為耐久試驗失效件，可見失效件底部托板已完全斷裂。

筆者分別從失效件和合格件支架上取樣，進行了化學成分分析、靜拉伸性能測試和金相檢驗，以查找導致支架斷裂失效的根本原因，防止類似失效事件的再次發生。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

使用碳硫分析儀及直讀光譜儀對支架進行化學成分分析，結果如表1所示。除JIS G 3141-2005要求的元素含量外，表1中也列出了其他主要影響鋼板性能的元素含量。由結果可見，失效件和合格件支架化學成分均符合標準要求，但碳含量有顯著區別，失效件的碳含量已屬于超低碳無間隙原子鋼(Interstitial Free Steel，簡稱IF鋼)的范疇。

圖1 支架示意圖及實物外觀Fig.1 Schematic diagram and real appearance of the bracket:(a) schematic diagram of the mathematic model; (b) real appearance

表1 失效件和合格件的化學成分分析結果(質量分數)

1.2 靜拉伸試驗

失效件和合格件支架的靜拉伸試驗結果如表2所示。雖然兩者的抗拉強度都未達到標準要求，但只是略低于標準值，且合格件的抗拉強度更低，由此判斷材料強度偏低不是導致其斷裂失效的原因。失效件和合格件的斷后伸長率都超過了50%，應該不是普通的SPCC冷軋鋼板，而更接近具有超高塑性和深沖性能的IF鋼[2]。

表2 失效件和合格件的靜拉伸試驗結果

1.3 金相檢驗

從失效件上接近失效部位及合格件上同樣位置按相同方向取樣，研磨、拋光后使用4%(體積分數)硝酸酒精溶液進行侵蝕。使用徠卡光學顯微鏡觀察對比了兩個試樣，其顯微組織形貌如圖2所示，均為鐵素體，未發現異常組織。

1.4 斷口分析

使用掃描電鏡觀察失效件支架的斷口，其宏觀和微觀形貌如圖3所示。可見斷口左右側均有斷裂起源點，屬多點起源的疲勞斷口。斷口最大的特點是以沿晶形貌為主，很多細小的疲勞輝紋尺寸不足1 μm，沿著晶面向前擴展，如圓圈中所示形貌。

據此可以判斷，斷口屬于在小應力下多點起源的高周疲勞斷口。斷口部位材料的晶間結合力極為薄弱，在極小的應力下裂紋并未直接穿晶向前，而是選擇更曲折地沿晶界發展。

2 分析與討論

在車輛行駛過程中該支架主要承受上下振動，電腦輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)應力分析如圖4所示，可見斷裂部位屬于應力最大區域(如圓圈所示)。

根據理化檢驗結果可知，失效件材料與合格件的接近，主要區別在于合格件的碳含量比失效件的高出很多。而斷后伸長率超過50%的鋼材會出現沿晶斷口，甚至可見細小的疲勞輝紋沿晶界擴展，這樣脆弱的晶界結合力應該與二次加工脆性有關。

由于超低碳的IF鋼晶界強度較弱，在沖壓成型后，鋼板具有一定的內應力，受外力作用容易產生晶間斷裂現象，即二次加工脆化。沖壓成型應變越大，對應的內應力也越大，其脆化趨勢也越嚴重[3]。二次加工脆性一般與低溫也有關系，特別是磷元素易在晶界偏析，更容易造成低溫脆性的增加[4]。不過該支架材料的磷含量極低，且失效件的更低，因此該失效事件應與磷元素關系不大。冬季道路試驗的低溫，也增加了塑性變形位錯開動的阻力。IF鋼板進行二次沖壓成型時，位錯在成團低能晶界處運動不受阻擋，而快速移動到高能隨機晶界處時受到阻礙，位錯大量在此塞積，引起沿晶斷裂，這是產生二次加工脆性的重要原因[5]。

圖4 CAE應力分析結果Fig.4 CAE stress analysis result

圖5 失效件拉伸試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the tensile test specimen of the failure part

失效件的碳含量僅為0.008%(質量分數)，按上述機理極易發生二次加工脆斷。合格件支架的碳含量較高，二次加工脆化的傾向較低，因此在道路試驗中未發生開裂。而對于未經過沖壓變形的區域，比如從失效件上取樣的拉伸試樣，其室溫斷后伸長率超過了50%，斷口也全部呈韌窩形貌，如圖5所示，進一步說明失效是因為斷裂部位經過塑性加工后，在一定條件下發生的沿晶脆斷。

3 結論及建議

失效件的斷裂部位進行了90°的沖壓折彎，發生了較大的塑性變形。在殘余內應力、位錯塞積等因素的綜合作用下，支架因二次加工脆性而發生沿晶疲勞斷裂。

建議改用碳含量高于0.01%(質量分數)的非IF鋼板[6]。支架零件的形狀并不復雜，不必使用高深沖性能的IF鋼板，按原設計使用普通的SPCC冷軋鋼板即可滿足成型要求。

由于IF鋼存在二次加工脆化的問題，因此在零件設計應用中，如確實需要使用IF鋼，應盡量降低沖壓變形部位的受載。

[1] JIS G 3141-2005 Cold-reduced carbon steel sheets and strips[S].

[2] 李迎超,王堂偉,葉又,等.乘用車金屬件斷裂失效原因分析的探索[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(增刊1):246-250.

[3] 丁富連,魏毅靜,陳卓人,等.汽車鋼板二次加工脆化試驗及其在寶鋼的應用[J].寶鋼技術,2006(2):61-65.

[4] 初元璋,潘巖.IF鋼的二次加工脆性及其評定方法[J].特殊鋼,2000,30(1):36-39.

[5] 曹圣泉,張津徐,吳建生,等.IF鋼織構與晶界特征分布的研究[J].金屬學報,2004,40(10):1045-1050.

[6] GB/T 20564.3-2007 汽車用高強度冷連軋鋼板及鋼帶 第3部分:高強度無間隙原子鋼[S].

Analysis on Fracture Reasons of the Steel Bracket in the Durability Road Test

LI Yingchao, LIU Pengpeng, YUE Zonghao, SHI Hailin

(Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201, China)

A steel bracket used in a vehicle fractured during the durability road test. The failure part and the qualified part in the durability test were compared, and the fracture reasons were analyzed by chemical composition analysis, static tensile test, metallographic examination and fracture analysis. The results show that: the carbon content in the material of the failure bracket was extra low, and grain-boundary strength of the material was weak; the large pressing deformation happened to the fracture position of the bracket, which led to the large stress; secondary working embrittlement was the root reason of the intergranular fracture failure of the bracket.

bracket; durability road test; fatigue fracture; carbon content; secondary working embrittlement

質量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705011

2016-08-26

李迎超(1975-),男,工程師,碩士,主要從事金屬零件設計和失效分析工作,yingchao_li@patac.com.cn

TG142.1

B

1001-4012(2017)05-0353-04