汽車穩(wěn)定桿斷裂分析

劉華東，邵百明，黎軍頑

(1. 上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201805；2. 上海大學 材料科學與工程學院，上海 200444)

汽車穩(wěn)定桿是汽車懸架系統(tǒng)中的重要輔助彈性元件之一，主要用于減少汽車在高速轉向時的橫向傾斜，并改善汽車行駛穩(wěn)定性和平順性，防止發(fā)生過大的側傾。其制造材料現(xiàn)大多采用中碳合金鋼，通過淬火+中溫回火得到回火屈氏體，硬度在45 HRC左右，以獲得較高的強度和一定的韌性[1-3]。

某汽車新設計一款鋼制空心穩(wěn)定桿，材料為34MnB5鋼，在道路耐久試驗中短里程發(fā)生了多例斷裂失效，斷裂部位如圖1所示。該穩(wěn)定桿生產工藝主要為成型→淬火→中溫回火→精整→噴丸→表面處理。為查明穩(wěn)定桿斷裂原因，防止類似失效再次發(fā)生，筆者對失效件進行了檢測和分析。

圖1 失效零件Fig.1 The failed part

圖3 清洗后斷口的宏觀形貌(a)區(qū)域1；(b)區(qū)域2；(c)區(qū)域3Fig.3 Macro-morphologies of the fractures after cleaning(a) area 1; (b) area 2; (c) area 3

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

穩(wěn)定桿斷裂發(fā)生在折彎處，此處屬于應力集中最大區(qū)域。失效件的宏觀斷口形貌如圖2所示。整個斷裂面可以分為上下兩個區(qū)域：下半部分的非瞬斷區(qū)和上半部分的瞬斷區(qū)，且非瞬斷區(qū)和瞬斷區(qū)的面積接近，其中非瞬斷區(qū)斷裂面較平，無明顯塑性變形，表面有銹蝕，而瞬斷區(qū)呈45°的剪切斜面。

圖2 失效件的宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of the failed part

1.2 斷口分析

將失效件的斷口進行清洗，利用體視顯微鏡和掃描電鏡進行觀察。其中非瞬斷區(qū)區(qū)域1宏觀形貌平坦，并伴有小刻面狀特征，如圖3(a)所示。非瞬斷區(qū)末端區(qū)域2和區(qū)域3宏觀形貌可見海灘紋，為疲勞開裂特征，見圖3(b, c), 這是在交變載荷作用下，裂紋擴展形成的。

啟裂區(qū)域1微觀形貌如圖4(a)所示，主要為冰糖狀沿晶特征，為脆性斷裂，與宏觀形貌特征相吻合。區(qū)域2和區(qū)域3微觀形貌有明顯疲勞輝紋，如圖4(b)所示。區(qū)域4為瞬斷區(qū)，微觀形貌為韌窩，如圖4(c)所示。

圖4 斷口不同區(qū)域的微觀形貌 (a)起裂區(qū)，沿晶形貌；(b)過渡區(qū)，疲勞輝紋;(c)瞬斷區(qū), 韌窩形貌Fig.4 Micro-morphologies of the fracture in different zones(a) crack initiation zone, intergranular morphology; (b) transition zone, fatigue striation; (c) transient fracture zone, dimple morphology

基于斷口檢測結果，可以判斷，穩(wěn)定桿先脆性開裂，以沿晶為主，然后在交變載荷下向兩邊疲勞擴展，當裂紋擴展到一定程度，承載面積變小后，最后發(fā)生過載斷裂。

掃描電鏡下觀察區(qū)域1斷口形貌，可以發(fā)現(xiàn)靠近外表面區(qū)域局部有細小的剪切區(qū)，如圖5所示。一般情況下，剪切區(qū)是裂紋擴展后期斷裂形成的，因此還可以判斷開裂主要方向是從內側向外側擴展的。

圖5 區(qū)域1斷口宏觀形貌Fig.5 Macro-morphology of the fracture of the area 1

圖6 斷口內側(a)和外側(b)的次表面能譜分析結果Fig.6 EDS results of inner(a) and outer(b) subsurface of the fracture

穩(wěn)定桿表面處理會經過磷化和粉末噴涂。對穩(wěn)定桿斷裂面內外側次表面進行能譜檢測，其結果如圖6所示。在斷裂面的內外次表面均未檢測到磷化處理的特征元素P和粉末噴涂的特征元素Ba[4-5]，由此可見，在磷化和噴粉時，穩(wěn)定桿未出現(xiàn)斷裂。

1.3 理化檢測

采用布魯克光電直讀光譜儀和威爾遜洛氏硬度計對失效件進行化學成分分析和硬度檢驗，結果如表1和表2 所示。檢測結果均符合要求值。

表1 失效件化學成分分析結果與技術要求(質量分數，%)

表2 失效件硬度試驗結果與技術要求(HRC)

失效件沿軸向剖開制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液(體積分數)侵蝕。利用ZEISS Axioimager A2M光學顯微鏡觀察，可以觀測到內外表面均無脫碳，顯微組織為回火屈氏體，如圖7所示，符合技術要求。

圖7 失效件顯微組織Fig.7 Microstructure of the failed part

2 分析及討論

通過上述檢測結果，從斷口形貌來看，穩(wěn)定桿先發(fā)生大面積的脆性斷裂，以沿晶為主，然后在工作載荷下在較小范圍內疲勞擴展，最后發(fā)生過載剪切斷裂。查找初始脆性斷裂原因是分析此次失效的最重要一環(huán)，而沿晶脆性斷裂類型有很多，包括：應力腐蝕、淬火開裂、延遲開裂等[6-8]。

應力腐蝕斷裂必須有腐蝕介質的存在，而穩(wěn)定桿開裂是從內側起源，同時內部又是密封，不存在腐蝕介質，因此應力腐蝕引起開裂的可能性較小，斷口表面的銹蝕應該是失效后發(fā)生的腐蝕。

穩(wěn)定桿通過通電加熱，又有紅外測溫，如果溫度出現(xiàn)異常，無法進行淬火操作。同時，多次淬火溫度和介質的模擬試驗也未能再現(xiàn)開裂的情形。此外，如果是淬火開裂，斷裂面在后續(xù)工序經過磷化和粉末噴涂處理時，斷口上會殘留P元素和Ba元素，而基于能譜檢測結果來看，斷裂面并未檢測到這些特征元素，因此斷裂是發(fā)生在穩(wěn)定桿加工完成之后，所以不會是淬火開裂。

延遲斷裂，又稱滯后斷裂，是指材料在靜應力作用下，經過一段時間后突然發(fā)生脆性破壞的一種現(xiàn)象。其影響因素主要有：①材料強度，一般認為抗拉強度超過1000 MPa，硬度大于40 HRC的零件就具有延遲斷裂傾向，材料強度越高，延遲斷裂敏感性越高；②微觀組織一般為馬氏體組織或其回火不充分的組織，這種組織延遲斷裂敏感性更強；③成形加工過程中產生的殘余應力，這也會增加延遲斷裂敏感性；④環(huán)境，如在含有H2、H2S氣體、水介質等環(huán)境下服役，或者制造過程中酸洗、電鍍和焊接中滲入氫[9-10]。

進一步調查零件生產過程發(fā)現(xiàn)，該批試驗件熱處理完成后沒有及時進行表面處理，存放時間過久，表面銹蝕較多，供應商未經客戶同意，將零件進行酸洗除銹。該穩(wěn)定桿熱處理后硬度47 HRC，有較高的延遲斷裂敏感性，工藝上應該避免氫的引入，而實際加工過程卻經過酸洗處理，這就會導致穩(wěn)定桿發(fā)生氫致延遲斷裂。

3 結論與建議

1) 失效穩(wěn)定桿先發(fā)生延遲開裂，然后在交變載荷的作用下發(fā)生疲勞擴展，直至最后過載斷裂。延遲開裂的原因是由于穩(wěn)定桿熱處理后本身硬度較高，后又經過酸洗，引入了氫，從而發(fā)生延遲斷裂。

2) 建議供應商嚴格按照要求生產加工零件，尤其對于高強度零件，特別要注意避免氫的引入，如酸洗，電鍍等，從而避免發(fā)生延遲開裂。后續(xù)正常生產的穩(wěn)定桿再未發(fā)生該類型失效。