汽車冷卻裝置護板斷裂的原因

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(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省分析測試中心，山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，濟南 250014)

0 引 言

某公司生產的汽車冷卻裝置護板在使用約2 a后斷裂，該斷裂護板材料為S355MC鋼，經冷成形加工而成。由圖1(a)可見：護板為條形，厚度為3 mm，表面涂有防護漆；護板通過螺栓與冷卻裝置連接，其表面的螺母與護板通過焊接方式連接。螺母材料為45鋼。護板與冷卻裝置一起固定在汽車前端，在汽車行駛過程中受到交變載荷作用。護板在其邊角一處固定螺母的位置發生斷裂，如圖1(b)所示。為了查明該護板斷裂的原因，作者對其進行了失效分析。

圖1 護板的結構和斷裂位置Fig.1 Structure (a) and fracture location (b) of guard board

圖2 護板的斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture of the guard board

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口的宏觀及微觀形貌

由圖2可見：護板發生斷裂后，螺母并沒有被破壞，斷裂位置均位于護板與螺母之間的焊縫熔合區及護板熱影響區；護板斷口表面呈灰色，比較平齊，無明顯塑性變形。

圖3 護板的斷口SEM形貌Fig.3 SEM micrographs showing fracture of the guard board:(a) fracture and (b) opposite of fracture

在斷口上取樣，清洗后，使用SUPRA55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌。由圖3可見，斷口上有兩個明顯的裂紋源，分別位于護板的內、外表面。護板內表面裂紋源恰好位于護板與螺母的焊縫熔合區；由于護板較薄，其外表面也會受到焊接熱循環的影響，因而外表面的裂紋源位于熱影響區。裂紋源附近可見放射狀棱線，裂紋沿壁厚方向向護板內部擴展，交匯形成瞬斷區，瞬斷區位于板厚中心位置；在裂紋擴展區的部分位置隱約可見貝紋線。

由圖4可見：裂紋源區存在研磨痕跡，這是由于裂紋在擴展過程中反復張合，使得斷口的對偶面互相研磨而形成的；該區域還可觀察到在裂紋擴展過程中形成的微裂紋。

圖4 護板斷口裂紋源區的SEM形貌Fig.4 SEM micrograhs of crack initiation area on fracture of the guard board: (a) at low magnification and (b) at high magnification

圖5 護板斷口裂紋源區的EDS測試位置及分析結果Fig.5 EDS testing position (a) and results (b) of crack initiation area on fracture of the guard board

利用INCA X-act型能量色散X射線儀(EDS)對裂紋源區進行微區成分分析。由圖5可見，裂紋源區未發現腐蝕性元素。

將裂紋擴展區貝紋線附近位置放大后，可見該處存在典型的疲勞輝紋，如圖6所示。

1.2 化學成分

在斷裂護板上取樣，經打磨、拋光，用分析純乙醇擦拭，制成符合成分分析的標準試樣后，用ZSX Primus II型X射線熒光光譜儀和CS-8800型高頻紅外碳硫分析儀進行成分分析，結果見表1。由表1可知，該護板的化學成分符合Q/BQB 311-2009中S355MC鋼的成分要求。

圖6 護板斷口裂紋擴展區疲勞輝紋的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs showing fatigue striations in the crack propagation region on fracture of the guard board: (a) field 1 and (b) field 2

圖7 護板斷口表面、裂紋源區剖面及焊縫的顯微組織Fig.7 Microstructures of fracture (a), profile of crack initiation area (b) and weld seam (c-d) of the guard board:(c) at low magnification and (d) at high magnification

表1 斷裂護板的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the fractured guardboard (mass)%

1.3 顯微組織

在斷裂護板母材、斷口表面、裂紋源區剖面以及焊縫、熱影響區分別截取尺寸約為8 mm×3 mm×5 mm的金相試樣，經拋光，用體積分數為3%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axio Observer A1m型光學顯微鏡上觀察顯微組織。由圖7可見：斷口表面上存在較多裂紋，裂紋從護板邊緣一直貫穿至護板內部，斷口顯微組織為鐵素體和片狀珠光體；在裂紋源區剖面上，可見母材熱影響區存在多處裂紋；焊縫區存在明顯的未熔合、夾渣等焊接缺陷，焊縫區顯微組織為柱狀晶，晶界處為鐵素體，晶內為索氏體和針狀鐵素體，還有魏氏組織存在。

由圖8可以看出：護板熱影響區顯微組織為鐵素體和粒狀珠光體；護板母材組織為鐵素體和片狀珠光體。

圖8 護板熱影響區和母材的顯微組織Fig.8 Microstructures of heat affected zone (a) and base metal (b) of the guard board

1.4 力學性能

在斷裂護板上截取平行段尺寸為15 mm×3 mm×100 mm的拉伸試樣和尺寸為15 mm×3 mm×150 mm的彎曲試樣，在WDW-300E型萬能試驗機上進行拉伸和彎曲試驗。拉伸試樣標距為50 mm，拉伸速度為2 mm·min-1。彎曲試驗采用三點彎曲方式，跨距為40 mm，下壓速度為1 mm·min-1。測得護板的抗拉強度為483 MPa，上屈服強度為424 MPa，斷后伸長率為21.0%。彎曲后試樣的外側面肉眼未見裂紋。護板的拉伸性能和彎曲性能均滿足Q/BQB 311-2009規定的S355MC鋼的性能要求。

2 斷裂原因分析

該斷裂護板是用來固定汽車冷卻裝置并保護其不受污染，防止冷卻裝置損傷的結構件。由分析結果可知，斷裂護板的化學成分和力學性能均滿足標準要求。汽車在行駛過程中存在顛簸、加減速、啟動、停止等情況，汽車冷卻裝置也會隨之發生振動，導致其護板受到交變載荷作用。結合斷口形貌分析可知：護板螺母處為一固定支點，最大力矩位于護板的內外表面；護板斷裂是裂紋擴展、累積損傷的結果，而不是一次性偶然的超載破壞。

由斷口形貌分析可知，斷裂護板斷口上存在兩個裂紋源和兩個裂紋擴展區，護板內外表面的裂紋源同時向護板內部擴展，在護板內部交匯導致了護板斷裂，因此斷口表面的瞬斷區較小。裂紋擴展區的面積分數達到90%以上，說明護板受到的交變應力輻較小。裂紋擴展區可見明顯疲勞輝紋，說明護板發生了疲勞斷裂。

疲勞裂紋源區一般位于表面存在應力集中的位置[1-3]。斷口上的兩個裂紋源分別位于護板的內、外表面，內表面裂紋源恰好位于護板與螺母的焊縫熔合區，外表面裂紋源位于焊接熱影響區。焊縫是該裝置的薄弱環節。裂紋是焊接接頭中最常見的一種缺陷[4-5]，是由于焊接應力及其他致脆因素的共同作用，破壞了焊接接頭局部區域的金屬原子結合力，導致新界面的形成而產生的。觀察護板和螺母間焊縫的形貌可知，焊縫中存在非常明顯的未熔合、夾渣等焊接缺陷。裂紋及焊接缺陷的存在會降低焊縫的承載能力，并產生應力集中[6]，最終導致斷裂。

3 結論及措施

(1) 在汽車運行過程中產生的交變載荷作用下，裂紋在護板的內表面與螺母的焊縫熔合區及外表面焊接熱影響區的缺陷處萌生并沿厚度方向向護板中心擴展，在內部交匯，導致護板斷裂；護板的斷裂性質為疲勞斷裂，焊接缺陷是導致疲勞開裂的主要原因。

(2) 建議提高焊接質量，如在焊接完成后對焊縫進行緩冷或保溫處理，以釋放因溫度降低而引起的應力集中，同時避免魏氏組織的生成，防止疲勞裂紋的過早萌生。