鋁合金左懸置支架斷裂失效分析

秦興祖，張 雯，蒯 振，周仁宇

Qin Xingzu，Zhang Wen，Kuai Zhen，Zhou Renyu

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

0 引 言

懸置系統作為汽車動力總成的重要組成部分，具有彈性支撐動力總成、隔離動力總成對車身和懸架的擾動、控制動力總成運動以滿足駕駛室隔振要求等功能[1-3]。隨著汽車輕量化設計和應用的發展，懸置支架的設計用材從鈑金和球墨鑄鐵變得更加多元，重力鑄造鋁合金和壓鑄鋁合金、半固態壓鑄鋁合金以及非金屬材料均得到應用[4-6]。

某款車型的左懸置支架在壞路試驗過程中出現斷裂失效問題，其材料牌號為A380，材料標準見ASTM B85/B85M[7]。為明確斷裂失效原因，使用直讀光譜儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀、金相顯微鏡和布氏硬度計對斷裂的左懸置支架進行斷口形貌、金相組織、化學成分、布氏硬度等試驗分析。

1 外觀檢驗

斷裂的左懸置支架零件照片如圖1（a）所示，斷裂發生在頸部位置，主斷面外觀形貌如圖1（b）所示，部分區域存在磨損現象。外觀檢驗同時發現，橡膠以及零件其他部位也存在磨損現象。根據磨損痕跡以及橡膠磨損區域表面分布的鋁屑推斷，磨損是由零件斷裂之后的相互錯位運動導致。

圖1 斷裂的左懸置支架

使用體式顯微鏡對主斷面進行宏觀形貌檢驗，發現在距離零件表面較近的位置，存在一塊邊界比較清晰的圓形區域，如圖2 所示，金屬零件斷裂無論是疲勞還是過載，均不會在斷面上產生此種現象，此為非正常現象，在后續斷口SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）和EDS（Energy Dispersive Spectroscopy，能譜儀）檢驗中會重點關注。

圖2 主斷面體式顯微鏡形貌

2 斷口檢驗

斷口宏觀照片如圖3（a）所示，通過掃描電子顯微鏡對其進行微觀形貌檢驗，將斷口分為3個典型區域，A、B、C 區域分別對應裂紋源區、疲勞擴展區和過載瞬斷區，圖中標線為疲勞擴展區與過載瞬斷區的分界線。

圖3 失效件斷口SEM 和EDS 檢驗

裂紋源區即為外觀檢驗中發現的異常現象位置，其微觀SEM 形貌如圖3（b）所示，整個區域沒有斷裂造成的斷口形貌特征。為確認裂紋源的產生原因，對其進行EDS 檢驗，結果顯示該區域除含有正常的Al、Si、Cu、Fe 元素之外，還存在較多Ca、C、O 元素雜質，如圖3（c）所示。由此，根據SEM 和EDS 檢驗結果確認，該裂紋源是鑄造過程中產生的夾雜物缺陷。

疲勞擴展區的微觀SEM 形貌如圖3（d）所示，微結構表現為帶有褶皺的粗糙表面，這是零件在壞路試驗過程中受交變載荷作用裂紋擴展形成的一種斷口特征。

過載瞬斷區的微觀SEM 形貌如圖3（e）所示，微結構表現為光滑表面的準解理形貌，這是零件在壞路試驗過程中疲勞裂紋擴展到一定程度不能承受試驗過程中載荷而發生瞬時過載斷裂形成的一種斷口特征。

在疲勞擴展區和過載瞬斷區的斷口表面均可發現縮孔存在，其微觀SEM 形貌表現為存在大量光滑表面的球形形貌，如圖3（f）所示，這是由鑄造過程中液體補縮不足形成縮孔導致。

3 金相組織檢驗

沿垂直于斷面方向取樣進行金相制樣，打磨拋光后使用0.5%氫氟酸溶液進行浸蝕，斷面位置的金相組織和心部的金相組織照片如圖4 所示。金相組織為α 鋁+（α 鋁+硅）共晶+初晶硅，這是正常的鑄造鋁合金組織。金相檢驗同時發現斷面位置及心部位置均存在縮孔，這與斷口SEM 檢驗結果相同。

圖4 失效件金相組織

4 化學成分和硬度檢驗

使用直讀光譜儀對斷裂的左懸置支架進行化學成分檢驗，結果見表1，各元素的質量分數符合設計材料標準要求。

表1 化學成分檢驗結果（質量分數）%

使用布氏硬度計對斷裂的左懸置支架進行布氏硬度檢驗，檢驗結果為90.7 HBW2.5/62.5，符合設計材料標準要求（≥85 HB）。

5 結 論

針對某款車型路試過程中鋁合金左懸置支架斷裂問題，通過對問題部件進行外觀檢驗、斷口形貌檢驗、金相組織檢驗、化學成分和硬度檢驗，發現化學成分、布氏硬度和金相組織的檢驗結果均符合標準要求。斷口可分為裂紋源區、疲勞擴展區和過載瞬斷區，具有典型的疲勞斷裂特征，裂紋源為鑄造過程中產生的夾雜物缺陷，試驗過程中以此為裂紋源發生疲勞開裂并擴展，裂紋擴展至零件剩余截面，當不能承受試驗過程中的載荷時發生了瞬時過載斷裂。

建議對鋁合金左懸置支架的鑄造工藝進行改進，對可能引入夾雜物的步驟進行排查優化，包括檢測鋁液清潔度、探查澆注濾網是否有缺陷等；此外針對夾雜物、縮孔等鑄造缺陷，引入工業CT（Industrial Computerized Tomography，工業計算機斷層掃描成像技術）檢驗也是一項選擇。