橋殼后殼蓋失效分析

宋寅，方強，汪茂根，黃高榮

(江鈴汽車股份有限公司 ，江西南昌 330001)

0 引言

某車型在道路試驗過程中，出現橋殼后殼蓋疲勞開裂導致漏油的問題。通過路譜采集，在臺架上模擬復現了同樣的失效模式，從而找到了失效的根本原因。從殼蓋材料、焊接工藝等方面提出了改進措施，解決了漏油問題，為橋殼后殼蓋的設計開發提供了參考。

1 故障描述

整車道路試驗過程中，在橋殼后殼蓋上部位置出現兩起潤滑油滲漏故障，失效初始僅出現小面積油痕，隨著里程的累積，油痕面積逐步擴大，最后成滴狀。清洗掉油跡后，均發現后殼蓋上有一道裂紋[1](圖1)，長度約76 mm，滲油是由于橋殼后殼蓋出現開裂導致，失效里程在3 000～40 000 km之間。

圖1 后殼蓋開裂

2 失效件分析

測量故障件板厚為2.7～2.8 mm，符合材料拉伸范圍要求(理論最小允許厚度1.98 mm)。材料成分見表1，符合標準要求。

表1 材料成分檢測 %

宏觀觀察故障件，裂紋距離焊縫位置超過10 mm，屬于母材區域，既不是焊縫區，也不是熱影響區。故障件表面有球狀顆粒(圖2)，局部裂紋有沿球狀顆粒擴展的趨勢。球狀顆粒是焊接時焊渣飛濺到后殼蓋表面，會在金屬表面產生類似焊接的金相組織，并有一定深度的熱影響區，降低后殼蓋的強度。

圖2 球狀顆粒附著殼蓋表面

沿斷口試樣橫截面切取磨制金相試樣，經3%硝酸酒精溶液腐蝕、清洗、干燥后，宏觀照片如圖3所示，焊縫、薄板的位置特征清晰可見。置于萊卡DMI5000M金相顯微鏡下觀察，斷口處金相組織為鐵素體+珠光體組織，裂紋兩側未見偏析、雜質、脫碳等現象。同時在金相試樣上進行洛氏硬度測試，經沃博特洛氏硬度計檢測，故障件的洛氏硬度為52HRB，故障件金相組織和硬度均正常。

圖3 裂紋附近金相組織

將斷口試樣經超聲波清洗干燥后，置于TESCAN掃描電子顯微鏡下觀察，起裂區在內側，為多點起裂，如圖4所示。

圖4 斷口14倍SEM照片

在起裂區未見明顯的冶金缺陷，其形貌為準解理+撕裂，如圖5所示。

圖5 起裂區800倍SEM照片

擴展區形貌為準解理+貝殼紋，如圖6所示，為典型的疲勞斷口特征。

圖6 擴展區1 500倍SEM照片

從對故障件的分析結果可以看出，后殼蓋屬于疲勞斷裂，但故障件本身除焊渣飛濺到表面之外，其他方面未見明顯的質量缺陷，這就需要從后殼蓋的設計及使用環境去判斷引起本次失效的原因[2]。

3 失效原因分析

3.1 殼蓋材料機械性能

根據標準GB/T228.1—2010進行材料拉伸試驗[3]，如圖7所示，試樣厚度3 mm，寬度30 mm，材料下屈服強度為175 MPa，抗拉強度290 MPa，符合原材料供應商技術協議中定義的要求。

圖7 材料拉伸試樣

3.2 CAE分析

根據現在發布的行業標準《QC/T533—1999 汽車驅動橋臺架試驗方法》中驅動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗的加載方法，建立CAE分析模型(圖8)，得到橋殼后殼蓋開裂區域應力為38 MPa(圖9)，殼蓋材料屈服強度為175 MPa。整車道路試驗是按標準負荷加載的，沒有發生超載情況，同時橋殼垂直彎曲疲勞臺架試驗已通過驗證[4]，且沒有出現后殼蓋失效故障。因此從CAE分析及臺架試驗結果判斷，后殼蓋不可能在只承受垂向力作用下發生疲勞斷裂。

圖8 CAE分析

圖9 后殼蓋應力圖

3.3 路譜采集及臺架對標

基于故障件、原材料機械性能及常用工況CAE分析結果均未發現異常，有必要對樣件的使用環境進行路譜采集，以便進一步查找失效原因。應變片貼在后殼蓋失效位置(圖10)，90°為整車X方向，0°為Y方向，45°為Z方向，在試驗場地測試開裂位置處的應力應變。實測結果表明90°方向(即整車X向)應力應變最大，最大值達到244 MPa，95%道路工況開裂位置應力值為103 MPa(圖11)。

圖10 開裂位置貼應變片

圖11 道路測試應力值

根據路譜采集結果，欲在臺架上模擬道路試驗受力來復制整車上的故障模式。將裝配主減速器殼體的橋殼總成樣件，按主減速器殼體朝上的狀態安裝在試驗臺架上(圖12)，同時在開裂位置貼應變片以監控臺架試驗工況后殼蓋受力與道路試驗基本一致。共測試3臺樣件，均出現橋殼后殼蓋開裂，開裂位置與道路試驗一致。對臺架試驗開裂件進行檢測，金相組織、材料成分等均正常。

圖12 臺架試驗裝置

3.4 焊接對材料性能的影響

文中提到故障件表面有附著焊接時，飛濺到后殼蓋表面的焊渣。在供應商現場抽取后殼蓋表面附著焊渣的樣件進行硬度梯度檢測，判斷焊縫熱影響區范圍以及焊渣的影響[5]。將樣件磨制成金相試樣(圖13)，分別進行硬度檢測：

(1)焊縫熱影響區分析：沿圖13箭頭1方向進行硬度梯度檢測，每隔0.5 mm取一個檢測點，硬度曲線如圖14所示。 在焊縫區域任取一個點為測試起點(坐標位置0點)，距離起點1 mm位置處為焊縫區域，該區域硬度最大為188 HB。從位置1 mm點開始，硬度快速下降。距起點位置1～2 mm區域為焊接熱影響最大的區域，最低硬度為116 HB；距起點位置2～6 mm區域硬度逐步上升，位置6 mm點硬度152 HB，接近母材硬度(≥150 HB)，焊縫熱影響區域在1～6 mm范圍。本次故障件開裂區域距離焊縫10 mm，因此焊縫熱影響區對本次失效基本關聯。

圖13 抽檢試樣

圖14 焊縫熱影響區硬度梯度

(2)焊渣的影響：沿圖13箭頭2方向進行硬度梯度檢測，每隔0.2 mm取一個檢測點，硬度曲線如圖15所示。在焊渣區域任取1點為測試起點(坐標位置0點)，距離起點0.2 mm位置處為焊渣區域，該區域硬度最大321 HB。從位置0.2 mm點開始，硬度快速下降。距起點位置0.2～0.4 mm區域為焊渣熱影響最大的區域，最低硬度為137 HB；距起點位置0.4～0.6 mm區域硬度逐步上升，位置0.6 mm點硬度152 HB，接近母材硬度(≥150 HB)，焊渣熱影響區域在0.2～0.6 mm范圍。從故障件分析來看裂紋有沿焊渣擴展趨勢，焊渣對本次故障可能會有一定的影響，但不是關鍵影響因素。

圖15 焊渣熱影響區硬度梯度

通過以上分析，導致失效的主要原因是道路試驗工況整車X方向作用力大，后殼蓋承載能力不足，需要對殼蓋的材料進行重新選型。

4 解決措施及驗證

根據路譜采集的結果，后殼蓋材料選擇熱軋板SAPH440，屈服強度不小于305 MPa，抗拉強度不小于440 MPa。按照圖12方式進行臺架驗證，完成80萬次循環后，檢查后殼蓋是否開裂。原狀態試樣在完成80萬次臺架循環，后殼蓋出現開裂；新材料試樣，完成80萬次循環，后殼蓋未開裂，繼續進行臺架試驗至185次循環，試樣無裂紋，試驗停止。臺架試驗壽命至少提升1.3倍以上，新狀態樣件也順利通過整車道路試驗考核。

5 結束語

綜上所述，后殼蓋失效是在整車X向作用力下，后殼蓋強度不足引起的。在實際工作中，后殼蓋通常與橋殼殼體一起組成總成件，按行業標準《QC/T533—1999 汽車驅動橋臺架試驗方法》中驅動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗進行驗證，往往忽略了來自整車X方向作用力的臺架驗證。本文闡述的后殼蓋開裂是典型的失效案例，通過道路試驗路譜采集和臺架試驗對標分析，可建立適用企業設計研發用的臺架驗證標準，為今后零部件開發提供理論依據，在設計初期就考慮到類似風險并規避，提高開發效率。