崔恩有，孟憲明，吳 昊

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 寧波汽車零部件檢測(cè)中心，浙江 寧波 315000；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300)

汽車副車架是汽車上非常重要的結(jié)構(gòu)件, 為滿足不同車型的要求或提高副車架性能, 新產(chǎn)品不斷被開(kāi)發(fā)。鑄造與焊接工藝在汽車零部件的制造過(guò)程中運(yùn)用廣泛，鑄造的質(zhì)量將直接影響到零部件的疲勞壽命與失效模式。而試驗(yàn)品正確的失效分析將有利于新型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與更好的應(yīng)用[1-5]。

1 失效情況分析

某車型開(kāi)發(fā)的副車架厚度為2 cm，選用鑄造成型工藝。在道路試驗(yàn)中,在副車架鑄鐵件上出現(xiàn)了萌生斷裂的裂紋(見(jiàn)圖1)；同時(shí)在表層出現(xiàn)了明顯的裂口。由圖1可見(jiàn)，裂紋長(zhǎng)度從外沿幾乎到達(dá)底部；試塊表面覆蓋紅色底漆和黑色面漆，部分黑色面漆脫落；在試塊外沿面，部分漆脫落并有明顯銹跡?；谝陨虾暧^斷裂特性，對(duì)試塊開(kāi)展斷口分析、球化石墨等級(jí)檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)。

圖1 副車架裂紋產(chǎn)生實(shí)物圖

1.1 球化等級(jí)與硬度檢驗(yàn)

鑄件的開(kāi)裂與其中石墨的形態(tài)及分布密切相關(guān)，本文采用金相分析方法對(duì)球化等級(jí)與硬度進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)上述副車架上的球化鑄鐵進(jìn)行取樣、打磨與拋光處理，在金相顯微鏡下隨機(jī)選取4個(gè)視場(chǎng)的照片，以觀察球墨的等級(jí)分類，其典型照片如圖2所示。由圖2可以看出，石墨由球狀和不規(guī)則顆粒狀態(tài)組成，根據(jù)GB/T 9441—2009可知，其球化的等級(jí)為2～3級(jí)；另外，在鑄鐵金相分析的組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔，組織較為致密。因此，初步推斷斷裂的產(chǎn)生不是由內(nèi)部組織氣孔和球墨的不均勻性導(dǎo)致的。

圖2 球化石墨形貌圖

取斷口附近的試樣作為布氏硬度的分析樣片，布氏硬度的分析結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)合球墨分級(jí)的分析結(jié)果可以看出，硬度差距不大，組織均勻性很好，因此推斷斷裂的原因不是由內(nèi)部組織缺陷或組織不均勻性導(dǎo)致的。

表1 布氏硬度檢驗(yàn)

1.2 裂紋與斷口分析

1.2.1 清洗后斷口裂紋金相檢驗(yàn)

在副車架裂紋處取出一試塊進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋長(zhǎng)度約為55 mm。將試樣最底部切除，并打磨開(kāi)裂表面，用金相觀察裂紋擴(kuò)展方式，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，裂紋從外表面產(chǎn)生, 箭頭所指為裂紋源, 在零件受力過(guò)程中裂紋向內(nèi)部呈放射狀擴(kuò)展。斷裂過(guò)程是由裂紋源引起裂紋, 隨后進(jìn)一步擴(kuò)展, 到達(dá)一定程度后, 零件在受力過(guò)程中被快速撕裂, 導(dǎo)致完全斷裂。另外，根據(jù)裂紋尖端金相照片可知，該材料由球狀石墨和鐵素體組成，低倍放大表明，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中穿過(guò)了球狀石墨；高倍放大表明，其開(kāi)裂方式為穿晶開(kāi)裂。

圖3 送檢樣品裂紋尖端金相照片

1.2.2 清洗后斷口形貌SEM分析

將清洗后的2塊斷口試塊小心拼合，觀察外沿宏觀特征(見(jiàn)圖4)。由圖4可以看出，在外沿中部的裂紋處發(fā)現(xiàn)有坑；而外沿的倒角處沒(méi)有明顯的缺陷。清洗后斷口呈現(xiàn)灰色、略顯紅色，在外沿一端凹凸不平，靠近外沿的表面還有較小的凹坑。

圖4 清洗后斷口宏觀照片

選取圖4中的A和B等2個(gè)區(qū)域觀察斷口形貌，清洗后圖4中斷口A區(qū)的掃描電鏡和能譜檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，在低倍放大下可發(fā)現(xiàn)，2個(gè)從外沿表面到基體內(nèi)部的凹坑，其尺寸為400～800 μm；在凹坑底部和側(cè)面還有二次裂紋。對(duì)圖5a中一個(gè)凹坑底部的二次裂紋放大可知，二次裂紋中還含有氧化物，如圖5b中箭頭所指區(qū)域和能譜結(jié)果所示；而沒(méi)有二次裂紋的能譜檢測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)清洗后僅測(cè)出鐵元素。從裂紋的相貌可以看出，裂紋擴(kuò)展較快。在靠近A區(qū)域,斷口呈明顯的韌窩狀,是撕裂的斷口特征,屬于瞬斷區(qū)。斷裂過(guò)程是由裂紋源引起裂紋,隨后進(jìn)一步擴(kuò)展,到達(dá)一定程度后,零件在受力過(guò)程中被快速撕裂。

圖5 圖4中A區(qū)形貌掃描電鏡和能譜

對(duì)圖4中斷口選區(qū)B的掃描電鏡分析結(jié)果如圖6所示。其中，黑色為球狀石墨，灰色為鐵素體區(qū)，在鐵素體區(qū)還能發(fā)現(xiàn)韌窩和撕裂的痕跡，表明斷口呈現(xiàn)韌性開(kāi)裂特征，從而可以推斷出，裂紋擴(kuò)展區(qū)由石墨和帶后韌窩及撕裂痕跡的鐵素體組成。

圖6 圖4中B區(qū)掃描照片

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)副車架材料的宏觀斷口、組織、斷口形貌與硬度的綜合分析,得出如下結(jié)論:該車型副車架的顯微組織為球化等級(jí)為2～3級(jí)，硬度為142 HBW的球墨+鐵素體組織結(jié)構(gòu)，宏觀裂紋長(zhǎng)約為55 mm，裂尖擴(kuò)展方式為穿晶斷裂；斷口形貌掃描電鏡和能譜分析表明，在外沿中部的損傷處有凹坑，在凹坑底部和側(cè)部還有二次裂紋；裂紋擴(kuò)展區(qū)由石墨和帶后韌窩及撕裂痕跡的鐵素體組成；副車架的開(kāi)裂起始于外沿中部的損傷凹坑處，然后在局部應(yīng)力和腐蝕環(huán)境作用下發(fā)生擴(kuò)展；而裂紋的起源與外力沖擊下的損傷有直接關(guān)系。

[1] 胡世炎.機(jī)械失效分析手冊(cè)[M].成都: 四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[2] 劉正義，吳連生，許麟康，等.機(jī)械裝備失效分析圖譜[M].廣州: 廣東科技出版社， 1990.

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