60Si2MnA鋼汽車(chē)穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)斷裂分析

摘 要：通過(guò)宏觀檢驗(yàn)及掃描電鏡分析、化學(xué)成分分析、金相分析、硬度檢測(cè)等方法，對(duì)60Si2MnA鋼汽車(chē)穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)斷裂的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象是由于表面存在完全脫碳層，使其表面強(qiáng)度大幅度降低，穩(wěn)定桿在疲勞試驗(yàn)時(shí)受到交變應(yīng)力作用下，易在此處萌生微裂紋，最終導(dǎo)致穩(wěn)定桿早期疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞：60Si2MnA；穩(wěn)定桿；疲勞斷裂

FRACTURE ANALYSIS OF 60Si2MnA STEEL STABILIZER BAR IN FATIGUE TEST

Tan Wenpeng Xu Jialu

（Zhongtian Iron and Steel Group （Huai'an） New Materials Co.， Ltd. Huai'an 223000，China）

Abstract：By means of macroscopic examination， SEM analysis， chemical composition analysis， metallographic analysis and hardness test， the causes of fatigue test fracture of 60Si2MnA steel automobile stabilizer bar were analyzed. The result shows：The reason for the fracture of the stabilizer bar in fatigue test is that there is a completely decarburized layer on its surface， which greatly reduces its surface strength. Under the action of alternating stress in fatigue test， the stabilizer bar is easy to initiate micro cracks here， which eventually leads to the early fatigue fracture of the stabilizer bar.

Key Words： 60Si2MnA；Stabilizer bar；Fatigue fracture

0 引 言

某工廠采用規(guī)格為φ20 mm的60Si2MnA熱軋圓鋼制造汽車(chē)穩(wěn)定桿，穩(wěn)定桿制造工藝流程如下：原材料下料→兩端壓扁→兩端鉆孔→熱成型（930 ℃加熱成型） →熱處理（890 ℃淬油＋510 ℃回火）→拋丸→噴塑。成品穩(wěn)定桿在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)在7萬(wàn)次時(shí)發(fā)生斷裂（要求疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為180次/min，不小于20萬(wàn)次）。本文對(duì)其疲勞試驗(yàn)時(shí)異常斷裂原因進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

疲勞斷裂位置發(fā)生在穩(wěn)定桿的彎曲處，發(fā)現(xiàn)的早期疲勞斷裂樣有兩支（編為1號(hào)、2號(hào)），斷裂位置及截取的斷口樣見(jiàn)圖1，疲勞斷口包括疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞斷裂均起源于穩(wěn)定桿彎曲部位內(nèi)側(cè)面表面，疲勞源區(qū)為線狀疲勞源，疲勞源區(qū)長(zhǎng)度約為5～10 mm，疲勞源區(qū)存在多條明顯的撕裂棱，說(shuō)明穩(wěn)定桿在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中該處表面存在較大的應(yīng)力集中，在疲勞源區(qū)未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷，見(jiàn)圖2～圖3。斷裂穩(wěn)定桿疲勞斷裂源附近的穩(wěn)定桿表面未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，僅有氧化鐵皮及拋丸痕跡，見(jiàn)圖4。

1.2 化學(xué)成分分析

在1號(hào)、2號(hào)斷裂穩(wěn)定桿上取樣，使用OBLF QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可知斷裂穩(wěn)定桿的化學(xué)成分符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)60Si2MnA鋼的成分要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在1號(hào)、2號(hào)斷裂穩(wěn)定桿斷口附近取縱向試樣按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定，其結(jié)果見(jiàn)表2。可知斷裂穩(wěn)定桿的非金屬夾雜物符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在1號(hào)、2號(hào)斷裂穩(wěn)定桿斷口斷裂源附近取橫向試樣磨制拋光并腐蝕后使用ZEISS Axio Imager.M2m光學(xué)顯微鏡放大觀察，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定桿表面存在嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象，總脫碳層深度約為0.08 mm，其中完全脫碳層（全鐵素體層）深度約為0.04 mm（見(jiàn)圖5），穩(wěn)定桿基體組織為回火屈氏體（見(jiàn)圖6）。

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)1號(hào)、2號(hào)斷裂穩(wěn)定桿試樣基體進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3，60Si2MnA鋼斷裂穩(wěn)定桿的硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 分析與討論

1）斷裂穩(wěn)定桿的化學(xué)成分符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)中60Si2MnA鋼化學(xué)成分的要求，其鋼中非金屬夾雜物級(jí)別也符合GB/T 1222-2016《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)的要求，在斷裂穩(wěn)定桿表面也未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，說(shuō)明穩(wěn)定桿的材質(zhì)正常。

2）斷裂穩(wěn)定桿的金相組織及硬度符合要求，但其表面脫碳層中存在完全脫碳層，說(shuō)明穩(wěn)定桿的熱處理過(guò)程中對(duì)表面脫碳的控制存在不足。

3）穩(wěn)定桿斷裂起源于表面，疲勞斷口包括疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞斷裂源區(qū)存在多條明顯的撕裂棱，說(shuō)明穩(wěn)定桿疲勞斷裂過(guò)程中存在較大的應(yīng)力集中。

4）穩(wěn)定桿在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中承受彎矩和扭矩等復(fù)雜載荷作用，根據(jù)穩(wěn)定桿斷口形貌特征并結(jié)合穩(wěn)定桿受載情況，說(shuō)明穩(wěn)定桿的斷裂性質(zhì)為彎曲—扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。穩(wěn)定桿在交變彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷共同作用下，穩(wěn)定桿彎曲部位內(nèi)側(cè)面表面所受應(yīng)力最大，疲勞核心易在表面循環(huán)應(yīng)力最大處或在材料薄弱處（缺陷處）形成[1]。當(dāng)穩(wěn)定桿局部區(qū)域存在缺陷時(shí)，會(huì)使缺陷處的強(qiáng)度大幅度降低，此處最易成為裂紋的起源位置[2]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，彈簧鋼表面出現(xiàn)嚴(yán)重脫碳會(huì)明顯降低彈簧的疲勞極限，特別是表面出現(xiàn)全鐵素體脫碳層時(shí)，可使彈簧的疲勞極限降低50％[3-4]。

綜上所述，該穩(wěn)定桿疲勞壽命試驗(yàn)不合格的主要原因可能與穩(wěn)定桿疲勞源處表面存在全脫碳層等因素有關(guān)，而穩(wěn)定桿表面全脫碳層的產(chǎn)生可能與其熱處理過(guò)程中對(duì)表面脫碳的控制存在不足有關(guān)。

3 結(jié) 論

該60Si2MnA鋼穩(wěn)定桿疲勞壽命試驗(yàn)不合格的主要原因可能與穩(wěn)定桿表面存在全脫碳層等因素有關(guān)，而穩(wěn)定桿表面全脫碳層的產(chǎn)生可能與其熱處理過(guò)程中對(duì)表面脫碳的控制存在不足有關(guān)。

建議穩(wěn)定桿在熱成型及熱處理等生產(chǎn)時(shí)的加熱保溫環(huán)節(jié)采取適當(dāng)?shù)姆姥趸Ｗo(hù)措施，減少表面脫碳的生成，以增強(qiáng)表面性能，提高穩(wěn)定桿的疲勞壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉靜，付揚(yáng)帆，周富. 汽車(chē)用后穩(wěn)定桿失效分析[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（11）：79-83．

[2] 張?jiān)拢潱瑮铥惢埽? 橫向穩(wěn)定桿斷裂原因分析及改善[J].金屬加工（熱加工），2019，818（11）：61-64.

[3] 蘭莎，唐北平，蒲霞，等. 汽車(chē)穩(wěn)定桿斷裂的失效分析[C]//2016中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)年會(huì)論文集.上海：中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，2016：911-913．

[4] 李迎超，葉又，魏一凡，等. 乘用車(chē)穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2020，56（6）：48-50.

第一作者：譚文鵬，男，38歲，工程師