乘用車行李廂蓋扭桿失效分析

甘柳忠，韋賢毅，萬永紅，藍 先，謝 寧

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

某車型行李廂蓋扭桿（材料為TDCrSi）在軟工裝交樣階段的耐久性試驗中出現斷裂問題。扭桿的制備工藝如下：熱軋線材-酸洗-拉絲-油淬火-回火-檢測-成形加工-去應力回火-電泳漆。行李廂蓋扭桿的結構形式如圖1（a）所示。CAE分析表明扭桿彎角處為應力集中處，見圖1（b）。失效扭桿的斷裂發生在彎角處，與CAE分析一致。

圖1 尾門扭桿的結構及CAE分析結果

扭桿彈簧作為行李箱蓋的開啟輔助裝置，在其制造過程中需要控制扭桿質量以避免發生斷裂等[1]失效現象。應用于車型行李廂蓋的扭桿，需要滿足成分、表面脫碳、金相組織結構、硬度與耐久性等技術要求，如表1所示。

表1 某車型行李廂蓋扭桿技術要求

采用斷口分析、金相檢驗和硬度檢測等方法對2根斷裂扭桿（1號失效扭桿和2號失效扭桿）進行失效分析。

1 檢測與分析

1.1 成分分析

采用OES光譜儀測量失效扭桿的化學成分（如表2所示），結果表明扭桿材料TDCrSi化學成分的實測值符合技術標準的要求（標準值Min和標準值Max所列即為《GB/T18983-2017淬火-回火彈簧鋼絲》對TDSiCr要求的范圍值）。

表2 行李廂蓋扭桿的化學成分分析（wt%）

1.2 斷口形貌

從圖2至圖4的宏觀形貌可知：2根失效扭桿的外表面存在損傷缺陷，并在斷口邊緣（扭桿表面）觀察到裂紋源。經過對扭桿整個生產流程進行追蹤，確認表面損傷是在扭桿成形時工裝對扭桿表面進行擠壓而形成壓痕，產生表面損傷缺陷。

圖2 1號失效扭桿的斷口形貌

圖3 1號失效扭桿裂紋源外表面

圖4 2號失效扭桿裂紋源處表面

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對裂紋源進行觀察，可以觀察到裂紋源的微觀形貌，如圖5和圖6所示。裂紋從扭桿表面處的裂紋源開始，沿垂直表面方向呈射線狀向中心擴展。

圖5 失效扭桿裂紋源處

圖6 失效扭桿裂紋源處的放大圖（裂紋源起于表面）

圖7和圖8可以觀察到失效扭桿的裂紋起始擴展區和快速擴展區的疲勞輝紋，及其擴展方向。

圖7 失效扭桿起始擴展區（疲勞輝紋）

圖8 失效扭桿快速擴展區（疲勞輝紋，二次裂紋）

表面裂紋源經起始擴展和快速擴展之后，裂紋擴展失穩，形成典型的韌窩形貌，最終導致扭桿斷裂，如圖9所示。圖5～圖9展示了表面裂紋源-裂紋起始擴展-快速擴展-擴展失穩-瞬斷區的典型微觀形貌，證明扭桿斷裂是疲勞斷裂[2]。

圖9 失效扭桿瞬斷區（韌窩）

1.3 硬度分析

在扭桿的3個不同位置，分別測量2根失效扭桿的維氏硬度，其數值和平均值如表3所列。

表3 扭桿維氏硬度測量值（HV50）

失效扭桿的維氏硬度（HV50）約為500，在扭桿硬度的正常范圍內，失效扭桿的硬度值正常。

1.4 金相分析

利用光學顯微鏡觀察失效扭桿的表面脫碳情況和金相組織，結果如圖10和圖11所示。

圖10 扭桿無脫碳

圖11 扭桿回火屈氏體：上）1號扭桿下）2號扭桿

分析結果表明：失效扭桿表面均未觀察到脫碳現象，扭桿金相組織為回火屈氏體。失效扭桿的金相組織正常，扭桿表面無脫碳。這說明扭桿不是由表面脫碳引起扭桿疲勞強度下降而導致斷裂的。

1.5 分析與討論

綜合上述結果：兩根失效扭桿的硬度和金相組織均正常，這說明扭桿不是由于扭桿內部缺陷引起抗拉強度下降（硬度下降）或者表面脫碳引起疲勞強度下降而引發斷裂的。其斷裂原因是：1號扭桿和2號扭桿裂紋源都起于表面，裂紋源處的外表面有明顯的缺陷損傷，起始擴展區和快速擴展區的疲勞輝紋，以及瞬斷區的韌窩表明，兩根扭桿屬于正常的疲勞斷裂[1，3]。1號扭桿和2號扭桿均是由表面缺陷損傷引發裂紋源從而導致的疲勞斷裂。

追蹤扭桿的整個生產流程，確認成形過程產生的工裝壓痕是失效扭桿表面損傷缺陷的根本原因。針對扭桿斷裂的原因，在工裝樣件階段，通過原材料表面質量控制、扭桿結構優化（圓角優化）和扭桿成形工裝改善等改進措施的實施，大大減少扭桿表面的工裝壓痕，大幅度地提升扭桿質量。改善后的扭桿滿足表1所列各項指標，通過了3萬次耐久循環試驗。

2 結束語

為解決某車型行李廂蓋扭桿在軟工裝交樣階段出現的斷裂問題，利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和硬度計等手段檢測失效扭桿的斷口形貌、硬度值和金相組織，找出斷裂扭桿的原因，提出解決措施并進行試驗驗證。

（1）斷裂扭桿屬于正常的疲勞失效。對扭桿生產過程進行追蹤并確認成形過程產生的工裝壓痕是失效扭桿表面損傷的根本原因。

（2）在車型項目的工裝樣件階段，通過原材料表面質量控制、扭桿結構優化（圓角優化）和扭桿成形工裝改善等改進措施的實施，大大減少扭桿表面的工裝壓痕，大幅度地提升扭桿質量。

（3）改善后的扭桿通過耐久性試驗的驗證，并滿足車型規定的其他技術要求，最終在車型項目上順利應用。