車輛空心穩定桿斷裂失效分析

李奕寶，丁都都，許陽釗

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640)

0 引言

在車輛獨立懸架中，穩定桿是連接左、右懸架，提高整車操縱性能的關鍵零部件，近年來，整車輕量化的設計要求越來越高，空心穩定桿的應用逐漸增多，由于空心穩定桿的材料、結構均與實心穩定桿不同，所以空心穩定桿的成型和熱處理工藝均不一致，目前，國內穩定桿廠家針對空心穩定桿的工藝開發也增加越來越多的投入進行研究，以保證空心穩定桿能滿足車輛使用要求。

本文作者以空心穩定桿斷裂的案例進行分析研究，介紹了空心穩定桿斷裂分析的思路流程，并最終通過分析結果，確定斷裂的根本原因。

1 斷裂現狀

文中的空心穩定桿斷裂為實際使用過程早期斷裂，檢測斷裂樣件無明顯磕碰痕跡，排除干涉或外力造成斷裂失效，如圖1所示。

圖1 斷裂失效示意

2 斷裂原因分析

2.1 材質分析

該空心穩定桿采用的材質為成熟的材料牌號，采用直讀光譜儀測試分析斷裂樣件的化學成分見表1，斷裂樣件材料滿足要求。

表1 材質化學成分分析 %

2.2 硬度檢測

采用數顯洛氏硬度計對斷裂樣件進行硬度檢測，檢測結果硬度滿足要求，如表2所示。

表2 斷裂件硬度檢測結果

2.3 斷口形態和金相分析

如圖2—5所示，通過電鏡掃描觀察斷裂零件宏觀形貌，按照斷裂特征分為裂紋源區、擴展區和終斷區3個區域。

圖2 斷裂件宏觀斷口

圖3 裂紋源區形貌

圖4 裂紋源邊緣區域形貌

圖5 擴展區形貌

裂紋源區為起裂位置，由圖可知，位于斷口的黑色區域，其邊緣斷口金屬受到擠壓，在未受到擠壓區域觀察到冰糖狀沿晶斷裂形貌，同時可清晰地觀察到三叉晶界上的二次裂紋及塑性楞線，裂紋源區整體為脆性開裂。斷口上的擴展區域主要由拉長的韌窩群組成，為韌性斷裂，表明材料具有一定的塑性，其斷裂時受到較大應力的作用。終斷區與斷口表面呈一定夾角，為受到剪切應力形成的剪切唇帶。

在斷口裂紋源區沿零件管材的縱向取截面進行裂紋源區金相組織觀察，如圖6—7所示，在斷口剖面裂紋源區樣品上觀察到多處沿晶裂紋，未發現氧化皮等缺陷，樣品腐蝕后可清晰地觀察到沿晶裂紋，裂紋包絡的區域較大，若為一個晶粒，平均尺寸約為50 μm，晶粒度在5.5級左右。

圖6 斷口金相取樣示意

圖7 裂紋源區金相組織

零件基體組織為淬火+回火熱處理組織，內壁脫碳層深度為60～70 μm，外壁無明顯脫碳，內、外壁脫碳層深度滿足要求，如圖8—9所示。

圖8 內壁金相組織

圖9 外壁金相組織

綜上斷口和金相分析，該斷裂具有延遲斷裂特征，是一種脆性斷裂，非疲勞耐久導致的斷裂失效模式，裂紋應在穩定桿的生產過程中就已經產生，隨著穩定桿在實際使用過程中，外部扭轉應力與內部應力共同作用下，裂紋加劇，進一步產生韌性撕裂，從而形成沿晶裂紋及塑性楞線特征的斷裂形貌。

2.4 工藝分析

結合空心穩定桿的生產工藝流程圖分析，最有可能導致裂紋的工序為淬火和回火工序，進一步排查淬火和回火工序的作業卡和實際生產過程參數，發現生產過程淬火液溫度低于標準溫度要求，淬火液溫度偏低，易造成淬火反應劇烈，使工件表面產生淬火裂紋。

2.5 故障再現驗證

根據工藝分析存在的問題，進行故障再現驗證，按淬火液溫度低于標準溫度要求的工況進行淬火并制作樣件，通過磁粉探傷發現樣件存在明顯裂紋，如圖10所示，再將樣件進行臺架耐久驗證，出現早期斷裂，斷口形態與文中分析的故障案例近似。

圖10 磁粉探傷示意圖

3 結論

文中針對空心穩定桿的斷裂案例進行分析，重點介紹了分析斷裂原因的思路，通過斷裂樣件的材質、硬度和斷口金相等方面進行分析，并確定斷裂的根本原因，為空心穩定桿的設計開發和生產質量控制提供參考。

(1)穩定桿斷裂失效的原因眾多，結構設計、運動干涉、材質、硬度、制造缺陷等各個方面都可能導致失效，在開發過程中均需要關注并進行嚴格試驗驗證；

(2)空心穩定桿的制造工藝與傳統的實心穩定桿工藝不一樣，熱處理參數也不同，制造過程各個細節需要驗證充分，尤其淬火和回火熱處理工序需要實時監控；

(3)穩定桿的缺陷、裂紋可以通過磁粉探傷有效地進行識別和檢查，在生產過程中可以考慮采用磁粉探傷進行外觀缺陷檢測。