后縱臂的斷裂原因分析

趙 凱 ， 劉新靈 ， 曹金華 ， 陳 星

（1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.中國航空發動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；5.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；6.某部駐哈爾濱地區代表室，哈爾濱 150066）

0 引言

金屬薄壁件在縱向壓力作用下容易發生失穩變形現象[1-4]。失穩變形與一般的宏觀塑性變形現象非常相似，主要特點有：1）失穩變形失效是穩定結構或者穩定狀態的失效，多為復雜三維結構變形；2）失穩變形在大小、方向上一般具有復雜規律；3）與拉伸、變曲、撞擊等有明顯受力點和受力方向的塑性變形相比，失穩變形與整體受力有關，受力形式一般難以準確確定；4）失穩變形大都發生在薄壁結構上；5）失穩變形可能只出現在構件失穩過程中，恢復穩定狀態可以恢復[5-6]。影響構件及結構穩定性的主要因素包括材料剛度、結構形態、溫度、應力、振動等[7-10]。

一些金屬構件失穩變形后有時并未完全失效，仍能保持一定的效能；但其失穩變形后會產生彎折塑性變形，這些塑性變形處可能已經產生微裂紋。當構件再次承受拉壓交變載荷作用時可能會導致裂紋擴展甚至斷裂[11-14]。后縱臂為金屬薄板件，其在試驗場行駛過程中多次發生斷裂故障，本研究對其斷裂原因進行分析。

1 故障背景與試驗方法

1.1 故障背景

汽車在試驗場行駛21 000 km 后發現后縱臂斷裂，該后縱臂曾多次發生斷裂。后縱臂在汽車上所處的位置見圖1。后縱臂在使用過程中受拉、壓、扭等復雜載荷，其材質為BR600 鋼，酸洗板材，原材料厚度為3.5 mm。板材的抗拉強度經檢測為796.6 MPa。整個后縱臂經沖壓成型，具體的加工過程為：落料→成型→沖孔→焊接→電泳→檢驗。

1.2 試驗方法

對后縱臂的外觀形貌進行觀察，利用體視顯微鏡和掃描電鏡分別對后縱臂的斷口形貌進行宏微觀分析，垂直于后縱臂斷口切取金相試樣并對其金相組織進行檢查，利用金相試樣對后縱臂的硬度進行檢查分析。借助有限元軟件模擬分析結果，分析確認后縱臂的最大應力點位置。通過以上檢查分析結果，確認后縱臂的失效性質，分析其斷裂原因，并提出改進建議。

圖1 后縱臂所處位置Fig.1 Position of the Back Trailing-arm

2 試驗結果

2.1 宏觀觀察

后縱臂橫向斷裂于中間，通過中間的安裝孔（該孔用于安裝塑料固定夾子）。將兩端定義為大端與小端。大端通過4 個螺栓孔與車身轉向裝置連接，小端與固定板通過橡膠連接，固定板與車身通過螺栓連接。斷裂的后縱臂正面與背面表面均存在較多的泥土，斷口有塑性變形。大端的4 個螺栓孔完整；小端的固定板結構完整，2 個安裝孔無明顯的塑性變形（圖2）。

后縱臂斷口表面銹蝕嚴重，呈紅棕色。整個斷口根據表面形貌及斷裂特征可以分為5 個區域，如圖3 所示的A～E 區。

圖2 后縱臂外觀形貌Fig.2 Appearance of the trailing-arm

圖3 后縱臂斷口形貌Fig.3 Fracture of the trailing-arm

A 區的源區位于安裝孔與背面形成的直角處，為角源（點源），沿厚度方向及寬度方向擴展，可見疲勞弧線特征，疲勞擴展區較為平整，擴展后期及瞬斷區較為粗糙，整個A 區疲勞擴展區約占A 區面積的2/5。A 區的源區側表面漆層鼓泡，可見銹蝕痕跡，源區對應的側表面有擠壓變形特征，源區側表面未發現明顯的加工損傷形貌（圖4）。

圖4 A 區形貌Fig.4 Appearance of the zone A

B 區的源區也位于安裝孔與背面形成的直角處，為角源（點源），沿厚度方向及寬度方向擴展，可見疲勞弧線特征，疲勞擴展區較為平整。B 區側表面漆層鼓泡，有銹蝕痕跡，源區對應的側表面有少量擠壓變形特征。C 區與B 區形貌相類似，其源區位于表面（背面），與B 區之間存在的高差臺階是由于兩擴展區不在同一平面形成的。D 區多處起源，為線源，源區位于表面（背面），斷口可見典型的弧線特征，與C 區之間存在高差臺階。E 區的源區為線源，位于表面（背面），斷口可見典型的弧線特征，與D 區之間存在高差臺階（圖5）。

通過分析斷口各區的斷裂特征可知，A 區更為平坦，源區為點源，疲勞特征更明顯，擴展更充分，據此可判斷，A 區的源區為主源，而其余各區的源區為次源。將鋼尺放在A～E 區的源區側表面進行變形比對，可見各源區側表面發生彎曲變形，即均存在塑性變形；A～D 區的變形方向為由正面指向背面，E 區的變形方向剛好相反（圖6）。以上現象表明，后縱臂在中間安裝孔位置處發生過彎折塑性變形。

2.2 斷口微觀觀察

將后縱臂斷口用丙酮超聲清洗后放入掃描電鏡下進行微觀觀察。整個斷口絕大部分區域銹蝕嚴重。A 區的源區位于安裝孔與背面形成的直角處，源區為銹蝕形貌，在擴展后期的一處銹蝕稍輕的區域可觀察到疲勞條帶特征（圖7）。B～E 區均銹蝕嚴重，源區特征不清晰。

2.3 金相檢驗

垂直于后縱臂斷口沿縱向切取試樣，進行金相組織檢查。斷口及其附近的金相組織為拉成長條的鐵素體+珠光體，未見夾雜物冶金缺陷（圖8）。

圖5 B～E 區形貌Fig.5 Appearance of the B～E zone

圖6 A 和E 區變形方向示意圖Fig.6 Diagram of deformation direction in zone A and E

圖7 A 區微觀特征Fig.7 Microscopic appearance of zone A

2.4 硬度檢測

利用垂直于后縱臂斷口沿縱向切取的金相試樣對后縱臂的顯微硬度進行檢測，檢測結果見表1。結果表明，后縱臂的硬度較為均勻，其均值為HV 265。根據GB/T 1172—1999 換算成抗拉強度約為919 MPa，比原材料板材測得的抗拉強度高，這是由于后縱臂沖壓形變后應變硬化所致。

2.5 有限元模擬分析

1）各工況條件下受力分析。利用有限元Abaqus軟件對后縱臂進行建模，約束后縱臂小端的6 個自由度，利用車輛在顛簸、制動、加速、轉向、凹坑轉向、加速轉向、制動轉向、倒車沖擊以及動態載荷情況時監測到的后縱臂大端的位置變化數據對大端施加位移，分析得到后縱臂在這些情況下的最大受力點位置（圖9）。結果表明，無論哪種工況，后縱臂的最大應力點均不在本次故障開裂的安裝孔處，而是在大端的螺栓孔或其附近。

圖8 后縱臂金相組織Fig.8 Metallographic structure of the trailing-arm

表1 硬度檢測結果Table 1 Results of hardness analysis

2）變形模擬結果。分析后縱臂變形后的位移情況，將變形之后的后縱臂與未變形的后縱臂取中間截面進行對比（圖10）。結果表明，后縱臂變形后背面受壓，正面受拉；橫截面的兩端向外變形（圖10b 中箭頭指向），這與所觀察到的后縱臂故障件宏觀變形方向相吻合。

3）變形后受拉模擬結果。

建立彎折塑性變形后的后縱臂模型，當其再受拉時，其最大應力點位置見圖11。結果表明，后縱臂發生彎折塑性變形后，當其再受拉時其最大應力點位于安裝孔與背面形成的直角處，與本次故障的主源位置相一致。

3 分析與討論

后縱臂主源區位于安裝孔與背面形成的直角處，斷口宏觀可見明顯的疲勞弧線特征，微觀可見疲勞條帶特征。據此可以確定，后縱臂的失效性質為疲勞斷裂。

后縱臂斷口A 區更為平坦，源區為點源，疲勞特征更明顯，擴展更充分，可判斷A 區的源區為主源，而其余各區的源區為次源。A 區的源區（主源區）存在銹蝕形貌，能譜分析結果表明，源區附近存在S、Cl 腐蝕性元素，但A 區的源區進行截面金相試樣未觀察到明顯的沿晶開裂形貌，可推斷腐蝕元素來源于后縱臂斷裂后的沾染。后縱臂斷口宏觀存在塑性變形。對A～E 區的源區側表面進行變形比對可知，后縱臂疲勞開裂前在中間位置發生過失穩塑性變形，變形方向由正面指向背面。有限元模擬結果也表明，當后縱臂彎折變形后其變形方向與實際斷口的變形方向相吻合。有限元模擬計算結果顯示，無論哪種受力狀態，后縱臂的最大應力點均不在本次故障開裂的安裝孔處，而是在大端的螺栓孔或其附近。此外，有限元模擬結果顯示，若后縱臂在中間發生彎折變形后再次受拉時其最大應力點位置位于中間安裝孔與背面形成的直角處，與本次故障件的主源位置相吻合。

圖9 有限元模擬計算結果（應力云圖）Fig.9 Finite element analysis results

圖10 后縱臂變形后與變形前比較Fig.10 The comparison between the model and the deformed

圖11 變形后的后縱臂模型及應力云圖Fig.11 Deformed model and the stress nephogram

后縱臂在使用過程的不同工況下可能會分別受拉、壓、扭等載荷。對于后縱臂這種薄板狀結構件，當其受壓時由于整個后縱臂中間的安裝孔處無約束支撐，在較大壓力作用下會存在失穩變形的可能。當其失穩塑性變形后，一方面會在塑性變形處產生微裂紋等損傷，另一方面當其再受拉時，其最大應力點會轉移到中間安裝孔應力集中處，在交變載荷的作用下裂紋向前擴展最終發生疲勞斷裂。

綜上所述，后縱臂的失效性質為疲勞斷裂。后縱臂的失效過程為：在壓應力作用下后縱臂中間安裝孔處首先發生失穩變形，當后縱臂再次受拉時最大應力轉移到中間安裝孔處，在交變載荷的作用下發生疲勞開裂；因此，后縱臂失效的根本原因為剛度不足導致在壓應力作用下發生失穩變形。適當增加后縱臂的厚度以提高其剛度，厚度增加后的后縱臂未再發生過類似的斷裂故障。

4 結論

1）后縱臂的斷口呈現疲勞斷裂特征，其在斷裂前曾發生失穩塑性變形。

2）后縱臂失穩塑性變形后并未完全失效，但在變形處產生微裂紋等損傷，在交變載荷的作用下裂紋向前擴展并最終發生斷裂；因此，后縱臂失效的根本原因為剛度不足。

3）對質量不敏感的承壓薄壁件可以適當增加其厚度進而提高其剛度，可以有效避免失穩變形的發生。