拖車鉤斷裂失效分析與優化

秦興祖，張雯，蒯振

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

1 序言

拖車鉤是用于連接車輛自身與其他牽引車輛的裝置，安裝在汽車的頭部和尾部。當車輛遇到打滑、故障等情況無法正常行駛時，可通過拖車鉤借助其他車輛和牽引裝置進行救援[1]。裝配式拖車鉤采用分體式結構，螺紋管焊接在防撞梁上，拖車鉤置于隨車工具箱中，當有需要時拖車鉤和螺紋管可裝配使用[2]。拖車鉤需滿足法規強制要求，若在使用過程中出現斷裂等失效問題，則會對用戶滿意度造成損害，甚至可能會發生危險情況[3]。

某車型的裝配式拖車鉤，在設計開發階段進行功能驗證試驗，進行至第8個工況（共15個工況）左側30°壓工況下，力加載至額定值的91.6%時發生斷裂。拖車鉤斷裂發生在螺紋向本體過渡的機加工位置，如圖1所示。拖車鉤設計材料為40Cr鋼（GB/T 3077—2015《合金結構鋼》），材料性能要求屈服強度≥785MPa、抗拉強度≥980MPa、斷后伸長率≥9%。為明確斷裂失效原因，使用直讀光譜儀、掃描電鏡、金相顯微鏡和維氏硬度計對斷裂的拖車鉤進行了化學成分、斷口、金相組織和硬度檢測分析。

圖1 斷裂的拖車鉤

2 斷口檢測與分析

拖車鉤斷口分布著眾多亮晶晶的小平面，宏觀形貌如圖2a所示；在掃描電鏡下觀察，斷口分布著放射狀條紋，具備典型的脆性斷裂特征[4]，SEM宏觀形貌如圖2b所示（紅色箭頭為斷裂方向）；斷裂起始位置未見明顯的機加工或滾齒缺陷，部分區域已磨損，如圖2c所示；將其中未磨損區域的斷口形貌放大進行觀察，發現斷裂方式具有混合斷裂的特征，其微觀形貌大部分區域呈河流花樣[5]，具備典型的解理斷裂特征；小部分區域呈韌窩形貌，具備典型的韌性斷裂特征，斷面同時分布著次生裂紋，如圖2d所示；裂紋擴展區域斷口呈解理斷裂形式，同時分布著次生裂紋，如圖2e所示；斷裂終了位置斷口微觀形貌呈從解理斷口向剪切韌窩形貌過渡，如圖2f所示。

圖2 斷裂的拖車鉤斷口形貌

3 金相組織和硬度檢測與分析

采用金相顯微鏡對拖車鉤心部進行檢測，金相組織為細網狀、針狀和塊狀分布的鐵素體及片狀珠光體[6]，晶粒粗大且部分區域鐵素體沿晶界向珠光體內部生長，呈針片狀析出，形成魏氏組織[7]，如圖3a、b所示。此類組織具備典型的鍛造過熱組織特征，使鋼的力學性能尤其是塑性和沖擊韌度顯著降低，抗裂紋擴展能力因晶界減少而降低[8]，工程應用中應避免出現。表面金相組織為塊狀鐵素體和片狀珠光體，具備典型的脫碳組織特征，如圖3c所示。為進一步確認斷裂起始位置是否存在滾齒等機加工缺陷，取斷裂失效的拖車鉤同批次零件進行金相檢測，斷裂起始位置過渡相對平緩，無折疊、裂紋、尖角等缺陷，如圖3d所示。對斷裂失效的拖車鉤進行維氏硬度檢測，結果為220HV10，根據ISO 18265：2013《金屬材料 硬度值的換算》，將硬度轉化成抗拉強度為705MPa，與設計要求的抗拉強度（≥980MPa）存在一定差距。

圖3 斷裂的拖車鉤和同批次拖車鉤金相組織

4 化學成分檢測與分析

使用直讀光譜儀對斷裂的拖車鉤進行化學成分分析，結果見表1。其中，C、Si、Mn、Cr含量符合GB/T 3077—2019《合金結構鋼》要求，P、S元素符合設計材料要求，因此可排除材料使用有誤的情況。

表1 斷裂的拖車鉤化學成分（質量分數）（%）

5 斷裂失效原因分析及整改措施驗證

經與生產廠家溝通確認，拖車鉤生產工藝路線為：下料→拋丸→加熱→鍛壓成形→切飛邊→沖孔→锪孔→機加工→拋丸→滾齒→表面處理。

結合化學成分、斷口、金相組織和硬度檢測分析結果，確定拖車鉤斷裂失效原因為：生產工藝路線中缺少熱處理工藝，導致成品件金相組織仍然為鍛造過熱組織，晶粒粗大且呈魏氏組織傾向，強度不滿足設計要求，且韌性較差，因此在試驗過程中出現脆性斷裂。

根據斷裂失效原因，建議對拖車鉤進行調質處理，以消除鍛造過熱組織，并形成調質組織來提高強度至滿足設計強度要求。對整改后的拖車鉤零件進行金相組織和維氏硬度檢測，心部和表面金相組織均為調質組織（見圖4）。硬度為338HV10，根據ISO 18265：2013將其轉化成抗拉強度為1063MPa，符合設計強度要求。在之后進行的功能驗證試驗中，15個工況全部通過。

圖4 整改后的拖車鉤金相組織（腐蝕劑：2%硝酸酒精）

6 結束語

1）此次開發驗證試驗在左側30°壓工況下斷裂的拖車鉤斷裂形式為脆性斷裂，斷口形貌主要為解理斷裂形式，并分布著次生裂紋。

2）造成拖車鉤斷裂的原因為：沒有對拖車鉤進行調質處理，鍛造過熱組織的晶粒粗大并呈魏氏組織傾向，強度不足且韌性較差，試驗中不能承受載荷發生過載斷裂。

3）對拖車鉤進行調質處理，消除鍛造過熱組織并形成調質組織，可以有效地解決斷裂問題并通過功能驗證試驗。

4）設計開發階段應對零部件性能與生產路線匹配性進行確認，開發驗證試驗前應對零部件材料性能是否滿足圖樣設計要求進行檢測確認。