汽車液壓變矩器鉚釘斷裂分析

胡孝昀

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鉚釘作為一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的連接方式，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配中廣泛使用。鉚釘作為重要的機(jī)械固定連接方式，已在航空結(jié)構(gòu)件、汽車零件及軸承等產(chǎn)品裝配中承擔(dān)著重要的角色[1-4]。液壓變矩器在汽車結(jié)構(gòu)中占有重要地位，與其他連接方式相比，在液壓變矩器某些結(jié)構(gòu)中，采用鉚釘連接更具優(yōu)勢(shì)。

在液壓變矩器工作時(shí)，鉚釘連接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致各種斷裂。在種載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的失效主要體現(xiàn)為連接件的失效。與整體保持架相比,鉚接保持架具有更好的加工及裝配工藝性。目前,鉚釘結(jié)構(gòu)應(yīng)用于液壓變矩器已是一種比較成熟的連接工藝。在實(shí)際工況中，鉚釘連接構(gòu)件如果失效,液壓變矩器將無(wú)法正常工作,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。針對(duì)液壓變矩器在實(shí)際工作狀況下鉚釘失效的問(wèn)題,對(duì)鉚釘?shù)脑O(shè)計(jì)和加工工藝進(jìn)行分析，以提高和改善液壓變矩器的使用壽命。

1 問(wèn)題的闡述

某公司送檢樣為鉚釘，試件在使用過(guò)程中失效，拆檢后發(fā)現(xiàn)鉚釘斷裂，原材料為SWRCH10A。觀察斷口宏觀形貌后可知，鉚釘為過(guò)載起裂后剪切斷裂特征。為進(jìn)一步判定其斷裂原因，對(duì)送檢樣品開展斷口分析、材質(zhì)分析、顯微組織分析等檢測(cè)分析，判斷鉚釘斷裂原因。

檢測(cè)方法：1)宏觀形貌觀察(目眼及體視顯微鏡)；2)微觀形貌觀察及能譜EDS分析(掃描電子顯微鏡及能譜儀)；3)硬度測(cè)試(顯微硬度計(jì))；4)金相分析(蔡司金相顯微鏡等)。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.1 宏觀檢查和斷口宏觀形貌

送檢鉚釘?shù)暮暧^形貌如圖1所示，將斷裂的鉚釘編號(hào)為1#、2#。按照?qǐng)D中所示線切割截取鉚釘斷口及其匹配斷口試樣，分別進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。從圖中可看出過(guò)載及剪切特征明顯。1#、2#鉚釘在同一個(gè)傳動(dòng)片上連接，兩斷口失效分離，1#變形較2#嚴(yán)重。

圖1 失效件整體形貌

將鉚釘斷口進(jìn)行清洗、去銹和除油處理，在掃描電子顯微鏡下觀察斷面的宏觀形態(tài)，如圖2所示。由圖2可知斷口呈平直狀，根據(jù)其受力情況及工況過(guò)程可以大致判斷為兩鉚釘在傳動(dòng)片往復(fù)拉拔作用下分別失效，呈現(xiàn)剪切和拉拔特征，扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重。結(jié)合斷裂鉚釘斷面磨損情況，初步判斷該試件最早失效起裂位置為：1#鉚釘(圖2(a))起源于鉚釘斷口側(cè)端面位置，裂紋擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示，右邊源區(qū)斷口呈現(xiàn)臺(tái)階脊?fàn)睿笥覂啥耸軅鲃?dòng)片來(lái)回?cái)D壓剪切，裂紋擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示(斷口失效方向初判如圖中箭頭所示):2#鉚釘(圖2(b))同樣起源于鉚釘斷口側(cè)端面位置(斷口失效方向初判如圖中箭頭所示)。失效件斷口顯示為過(guò)載剪切斷裂特征，傳動(dòng)片變形，鉚釘磨損嚴(yán)重，側(cè)壁擠壓痕跡明顯。在萊卡顯微鏡下觀察鉚釘外壁后，斷口附近未見異常缺陷，表面擠壓磨損。為進(jìn)一步判定其斷裂原因，繼續(xù)開展了以下檢測(cè)。

圖2 鉚釘斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌及能譜EDS分析

在掃描電子顯微鏡下繼續(xù)觀察斷口源區(qū)表面形態(tài)，并對(duì)由宏觀形貌初步判定的最先起裂鉚釘及后續(xù)斷裂鉚釘分別進(jìn)行微觀掃描分析如下。

由圖3-圖15可知，1#、2#失效鉚釘斷口掃描特征均以大面積剪切韌窩為主。掃描觀察鉚釘側(cè)壁源區(qū)，未見明顯缺陷及裂紋，傳動(dòng)片擠壓拉拔痕跡明顯，起裂于邊角位置，源區(qū)未見明顯氧化產(chǎn)物及夾雜，對(duì)磨嚴(yán)重；在傳動(dòng)片拉擠作用下，表面壓痕明顯，擴(kuò)展及瞬斷區(qū)掃描觀測(cè)后可見明顯剪切韌窩特征。

觀察1#鉚釘源區(qū)處由于變形與鑄鐵分離，形成較大間隙，第2源區(qū)被傳動(dòng)片擠壓變形，與鑄鐵分離形成縫隙。由圖3、圖4、圖6，斷面可見往復(fù)的壓痕及損傷，局部剪切韌窩兩個(gè)方向形成重疊。如圖5、圖8所示，在第2源區(qū)局部出現(xiàn)振動(dòng)條帶特征。如圖7所示，最終撕裂區(qū)呈現(xiàn)拉拔韌窩特征。如圖9所示，鉚釘斷裂前受傳動(dòng)片往復(fù)應(yīng)力拉拔擠壓變形，過(guò)載振動(dòng)撕裂。

圖3 鉚釘源區(qū)表(端面)掃描(1#)

圖4 鉚釘起始區(qū)低倍掃描(1#)

圖5 鉚釘起始區(qū)高倍掃描(1#)

圖6 鉚釘?shù)?起裂區(qū)低倍掃描(1#)

圖7 鉚釘?shù)?起裂區(qū)高倍掃描(1#)

圖8 鉚釘擴(kuò)展區(qū)掃描(1#)

圖9 鉚釘瞬斷區(qū)掃描(1#)

觀察2#鉚釘源區(qū)處由于變形與鑄鐵分離，形成較大間隙，瞬斷區(qū)和鑄鐵接觸擠壓嚴(yán)重，縫隙較小。圖10、圖14、圖15中，斷面可見橫向的壓痕損傷以及縱向的擠壓損傷條帶和扭轉(zhuǎn)變形痕跡，局部形成褶皺損傷，說(shuō)明在斷裂過(guò)程鉚釘表面受到較大的滑動(dòng)摩擦和擠壓損傷，并且源區(qū)附近局部拉拔頸縮特征明顯，說(shuō)明鉚釘斷裂前受傳動(dòng)片往復(fù)應(yīng)力拉拔擠壓變形。

圖10 鉚釘源區(qū)表面(端面)掃描(2#)

圖11 鉚釘起始區(qū)低倍掃描(2#)

圖12 鉚釘起始區(qū)高倍掃描(2#)

圖13 鉚釘擴(kuò)展區(qū)掃描(2#)

圖14 鉚釘瞬斷區(qū)(下端面)低倍掃描(2#)

圖15 鉚釘瞬斷區(qū)高倍掃描(2#)

1#和2#鉚釘起裂區(qū)的SEM-EDX能譜半定量分析檢測(cè)結(jié)果如圖16和圖17所示。能譜結(jié)果表明鉚釘含有鋅元素，此由表面鍍鋅的緣故。綜合以上各區(qū)域EDS分析結(jié)果，可以看出鉚釘起始區(qū)域譜圖中未見明顯異常元素的峰存在，局部磨損表面由鍍鋅層元素帶入。

圖16 鉚釘EDS定點(diǎn)元素分析(1#)

圖17 鉚釘EDS定點(diǎn)元素分析(2#)

2.3 顯微組織觀察分析

為進(jìn)一步判定該試件熱處理狀態(tài)問(wèn)題，對(duì)1#和2#斷口試件取樣做金相觀察，線切割截取鉚釘斷口，經(jīng)拋光和4%硝酸酒精腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織,檢測(cè)結(jié)果如圖18和圖19所示。由圖可知，1#和2#源區(qū)表面未見微裂紋和異常表面缺陷及夾雜物。

圖18 1#鉚釘材料金相組織表面拋光圖

圖19 2#鉚釘材料金相組織心部拋光圖

根據(jù)圖20和圖21可知，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，鉚釘組織以珠光體+鐵素體為主，表面鍍層拋光后觀測(cè)未見明顯夾雜、裂紋陷等缺陷，組織無(wú)異常[5-6]。

圖20 1#鉚釘金相顯微組織

圖21 2#鉚釘金相顯微組織

2.4 硬度原材料化學(xué)成分分析

分別針對(duì)工件上斷裂處采集多點(diǎn)硬度，硬度值如表1所示。對(duì)照該工件熱處理工藝要求可知斷件硬度達(dá)標(biāo)[7]，表面與心部硬度未見明顯差異。

表1 鉚釘顯微硬度測(cè)試結(jié)果

鉚釘?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果見表2，可見其符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SWRCH10A鋼材要求[8]。

表2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)直讀光譜分析結(jié)果 單位：%

從鉚釘斷口宏觀形貌檢測(cè)結(jié)果判定鉚釘為過(guò)載起裂后剪切擴(kuò)展失效。綜合以上檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合該試件的工藝及使用工況分析后可知，斷裂鉚釘源區(qū)無(wú)明顯夾雜，材質(zhì)化學(xué)元素正常，顯微組織和顯微硬度達(dá)標(biāo)。1#鉚釘在傳動(dòng)片往復(fù)作用下剪切拉拔從側(cè)端面起裂，向內(nèi)部擴(kuò)展，最終在中心附近拉拔分離，隨著1#斷裂后，2#被快速剪切發(fā)生橫向斷裂。結(jié)合斷口微觀掃描形態(tài)，鉚釘斷裂誘因可考慮工作中鉚釘在傳動(dòng)片作用下，局部受異常剪切載荷應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致加載力超出本身承載能力沖切起裂，進(jìn)而拉拔扭轉(zhuǎn)擴(kuò)展失效。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓變矩器鉚釘失效情形的檢測(cè)分析,鉚釘斷裂是由局部區(qū)域受異常剪切載荷應(yīng)力集中超出鉚釘?shù)某休d能力導(dǎo)致沖切起裂，工作時(shí)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致的。本文通過(guò)分析此次鉚釘斷裂的案例，為液壓變矩器的設(shè)計(jì)和加工工藝提供參考價(jià)值；為改善液壓變矩器的性能和帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值提供借鑒意義。