李應(yīng)軍 周 林

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

車門限位臂導(dǎo)向板斷裂失效分析

李應(yīng)軍 周 林

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

某車門限位臂導(dǎo)向板經(jīng)約1萬次臺(tái)架耐久試驗(yàn)后發(fā)生了斷裂。通過化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口觀察、能譜分析等試驗(yàn)方法，確定了限位臂導(dǎo)向板的斷裂失效模式屬于疲勞斷裂，斷裂主要原因是零件表面在熱處理過程中發(fā)生了脫碳，脫碳層深度約為0.15 mm。在實(shí)際工藝中應(yīng)采用氣體保護(hù)措施，從而確保零件表面無明顯脫碳現(xiàn)象，進(jìn)而提高工件質(zhì)量。

車門 限位臂導(dǎo)向板 疲勞斷裂 脫碳

某車門限位臂導(dǎo)向板采用厚度為2 mm的60Si2Mn彈簧鋼材料，主要經(jīng)落料、成型、沖孔、豁孔、調(diào)質(zhì)熱處理、噴丸等工藝生產(chǎn)而成。60Si2Mn鋼屬于Si-Mn系彈簧鋼，在常規(guī)中碳鋼的前提下增加了Si、Mn元素含量［1］。由于硅、錳的加入，顯著強(qiáng)化了鐵素體，使鋼的彈性極限大幅提高，屈強(qiáng)比可達(dá)0.8～0.9。但一方面，60Si2Mn彈簧鋼碳和硅的含量較高，高溫長時(shí)間加熱易發(fā)生脫碳現(xiàn)象；另一方面硅促進(jìn)脫碳傾向，錳增大了鋼的過熱敏感性，容易產(chǎn)生裂紋［2-3］。影響彈簧鋼質(zhì)量的重要因素有鋼中非金屬夾雜物和脫碳等表面缺陷［4-6］。鋼中粗大夾雜物增多，彈簧鋼性能惡化，降低氧含量與控制鋼中夾雜物的組成、形態(tài)和分布成為高質(zhì)量彈簧鋼生產(chǎn)的重點(diǎn)。彈簧鋼的表面缺陷中最常見的是脫碳，脫碳層的存在嚴(yán)重影響彈簧的疲勞壽命和硬度。有資料［7］表明，脫碳層厚度達(dá)到0.1 mm時(shí)就會(huì)對(duì)彈簧鋼的抗疲勞性能產(chǎn)生很大影響，表面達(dá)不到所要求的硬度和強(qiáng)度，在交變應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋。

試驗(yàn)限位臂導(dǎo)向板性能要求為：硬度在42～46 HRC范圍內(nèi)，臺(tái)架耐久試驗(yàn)7.5萬次不失效。但在實(shí)際臺(tái)架耐久試驗(yàn)進(jìn)行到約1萬次時(shí)導(dǎo)向板發(fā)生了斷裂，離要求相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)向板的幾何尺寸和斷裂位置如圖1所示。為找出車門限位臂導(dǎo)向板發(fā)生斷裂的原因以及提出改進(jìn)的建議，本研究通過化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口觀察、能譜分析等試驗(yàn)方法加以探索。

圖1 導(dǎo)向板的幾何尺寸和斷裂位置Fig.1 Geometric dimension and fracture position of the guide plate

1 試驗(yàn)材料與方法

為分析60Si2Mn鋼車門限位臂導(dǎo)向板斷裂的主要原因，首先在斷裂件大面上取樣，用砂紙磨去零件表面的氧化層，借助SPECTRO MAXx06直讀光譜儀對(duì)樣品表面進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，之后將樣品表面繼續(xù)磨去0.3 mm左右，并對(duì)樣品心部進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試；其次借助Wilson Tukon2500硬度計(jì)對(duì)零件表面、心部、斷口附近進(jìn)行硬度測(cè)試；再次在斷口處取樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、腐蝕制備成金相試樣，借助ZEISS AXIO IMAGER M2m金相顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)、金相組織觀察；最后借助INSPECT S50掃描電鏡對(duì)斷口表面形貌進(jìn)行觀察，并通過掃描電鏡自帶的能譜分析系統(tǒng)對(duì)斷口邊緣和中部進(jìn)行元素半定量分析比對(duì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 夾雜物觀測(cè)

為檢驗(yàn)導(dǎo)向板的斷裂是否是由于彈簧鋼中非金屬夾雜物形態(tài)、數(shù)量、尺寸的控制不當(dāng)所致，對(duì)夾雜物的數(shù)量、大小及分布進(jìn)行觀察，如圖2所示。根據(jù)ASTME45-05非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)方法對(duì)圖2中的夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為A 2.5、B 0.5、C 1.5、D 0.5。夾雜物數(shù)量、大小及分布滿足60Si2Mn材料規(guī)范GB／T 1222-2007中的要求，故夾雜物的分布不是造成彈簧鋼斷裂的原因。

圖2 導(dǎo)向板斷口處非金屬夾雜物數(shù)量及分布（拋光態(tài)）Fig.2 Amount and distribution of the non-metallic inclusions on fracture surface of the guide plate（in a polishing state）

2.2 能譜分析

對(duì)樣品斷面不同位置一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行能譜測(cè)試，斷面邊緣和中部的元素含量測(cè)試結(jié)果如表1所示，斷面邊緣的能譜圖如圖3所示，斷面中部的能譜圖如圖4所示?？梢?，斷面邊緣和中部顯示為Fe基體成分，兩個(gè)位置成分基本沒有差異，且無異常變化，故零件斷裂的原因也不是表面氧化、腐蝕。

表1 斷面邊緣和中部元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Results of element analysis in edge and middle of the fracture（mass fraction）%

2.3 化學(xué)成分分析

斷裂零件表面和心部的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果如表2所示。零件心部的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.62%，而表面的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.53%，表現(xiàn)出了明顯的脫碳現(xiàn)象，其他元素含量在表面和心部基本沒有差異。脫碳的本質(zhì)是碳原子的擴(kuò)散，碳素鋼表層碳原子受熱振動(dòng)，其逸出功上升，增大了碳原子脫離金屬晶格束縛的趨勢(shì)，同時(shí)碳原子與氧原子的親和力大于碳原子和鐵原子的親和力，從而出現(xiàn)了碳原子的擴(kuò)散現(xiàn)象。

圖3 導(dǎo)向板斷面邊緣能譜圖Fig.3 EDS patterns in edge of the guide plate fracture

圖4 導(dǎo)向板斷面中部能譜圖Fig.4 EDS patterns in middle of of the guide plate fracture

表2 導(dǎo)向板不同位置處和標(biāo)準(zhǔn)要求化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical composition in different sites of the guide plate and the required composition（mass fraction）%

2.4 硬度測(cè)試

脫碳層的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)致零件表面硬度的下降，李家寶［8］等曾用X射線衍射線半高寬和顯微硬度對(duì)脫碳層的軟化進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示脫碳層會(huì)嚴(yán)重影響彈簧的疲勞壽命和硬度。斷裂零件表面、心部和斷口附近的硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示。可以看出，零件表面、心部和斷口的硬度值均低于設(shè)計(jì)要求（42～46 HRC），尤其是零件表面的硬度最低，這也進(jìn)一步證實(shí)了零件表面發(fā)生了脫碳現(xiàn)象。

表3 導(dǎo)向板不同位置硬度檢測(cè)結(jié)果Table 3 Hardness in different sites of the guide plate

2.5 金相分析

試樣斷口經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后，其組織形貌如圖5所示?？梢钥闯觯慵砻婷撎枷喈?dāng)嚴(yán)重，全脫碳層深度約為0.15 mm，脫碳層的出現(xiàn)導(dǎo)致表面硬度低并形成拉應(yīng)力，從而大大降低零件的疲勞壽命。

經(jīng)與供應(yīng)商交流后確認(rèn)，零件在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)未采取任何防止脫碳的措施，使得彈簧鋼零件表面與爐氣間存在較大的碳化學(xué)位梯度，促進(jìn)了表面脫碳現(xiàn)象的產(chǎn)生與加劇。因此，必須采取必要的氣體保護(hù)措施，以確保零件表面無明顯脫碳現(xiàn)象。

樣品斷口附近的顯微組織如圖6所示。圖6（a）為縱向組織形貌，可以看出基體縱向有明顯的帶狀組織。鋼中帶狀組織是鋼材內(nèi)部的一種缺陷，一般認(rèn)為，導(dǎo)致帶狀組織出現(xiàn)的最根本原因是元素偏析［9］。鋼材在熱加工后冷卻所產(chǎn)生的平行于加工方向、成明顯層狀的鐵素體帶與珠光體帶也會(huì)產(chǎn)生帶狀組織。鋼中出現(xiàn)的帶狀組織會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部組織不均，并嚴(yán)重危害鋼材性能［10］，熱處理時(shí)鋼材容易產(chǎn)生畸變、開裂等不良后果。帶狀組織是縮減零件疲勞壽命的次要因素。從圖6（b）中可以看出，橫向截面組織為回火托氏體，滿足GB／T 1222-2007要求。

圖5 導(dǎo)向板斷口表面的組織形貌Fig.5 Microstructure in fracture of the guide plate

圖6 導(dǎo)向板斷口附近的顯微組織Fig.6 Microstructures near fracture of the guide plate

圖7 導(dǎo)向板斷口宏觀形貌Fig.7 Macroscopicmorphology of fracture of the guide plate

2.6 斷口分析

2.6.1 宏觀斷口分析

在體視顯微鏡下的斷口宏觀形貌如圖7所示，顯示為斷面平齊，斷裂源于零件內(nèi)側(cè)。

2.6.2 SEM微觀斷口分析

圖8（a）為零件斷口的低倍SEM形貌，箭頭指向裂紋源，裂紋源位于零件斷口內(nèi)側(cè)。圖8（b）為斷裂源附近斷口形貌，可以看到斷裂源附近表面有微裂紋（箭頭指向），這是裂紋源處的主裂紋在交變應(yīng)力作用下擴(kuò)展所致。裂紋源處表面形貌如圖8（c）和圖8（d）所示，可見斷口呈韌窩、疲勞臺(tái)階、擦傷及準(zhǔn)解理特征，這說明零件失效模式屬于疲勞斷裂。彈簧片長期承受交變應(yīng)力作用，因而疲勞斷裂是其主要破壞形式［11-12］。

如圖9所示，斷面中部發(fā)現(xiàn)有由非金屬夾雜物引起的條狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)降低零件的疲勞壽命。由圖10可以看出，斷口擴(kuò)展區(qū)有疲勞條帶，這進(jìn)一步證實(shí)了零件失效模式屬于疲勞斷裂，斷裂源于內(nèi)表面受力最大處。

3 結(jié)論

（1）車門限位臂導(dǎo)向板的斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋源位于零件內(nèi)表面，斷裂主要原因是零件在調(diào)質(zhì)處理過程中產(chǎn)生了明顯脫碳（脫碳層深度約為0.15 mm）現(xiàn)象，引起表面硬度降低并形成拉應(yīng)力，從而大大降低零件的疲勞壽命。

圖8 導(dǎo)向板斷面形貌圖Fig.8 Micrographs of fracture of the guide plate

圖9 導(dǎo)向板斷面中部形貌Fig.9 Micrographs of fracturemiddle of the guide plate

圖10 導(dǎo)向板斷口擴(kuò)展區(qū)表面形貌Fig.10 Surfacemorphology of the fracture expanding zone of the guide plate

（2）建議導(dǎo)向板在調(diào)質(zhì)處理過程中采用氣體保護(hù)措施，嚴(yán)格按彈簧鋼的調(diào)質(zhì)處理工藝實(shí)施，確保零件表面無脫碳現(xiàn)象。

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收修改稿日期：2016-03-28

鋼鐵業(yè)去產(chǎn)能初見成效上半年業(yè)績喜人

隨著上市公司中報(bào)集中披露，今年上半年，上市鋼企盈利實(shí)現(xiàn)逆勢(shì)上揚(yáng)。據(jù)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至8月11日，34家鋼鐵上市公司中，已有5家鋼企發(fā)布上半年業(yè)績報(bào)告，其中4家鋼企凈利潤同比實(shí)現(xiàn)增長；另有17家鋼企發(fā)布了上半年業(yè)績預(yù)告，其中預(yù)喜企業(yè)達(dá)到11家。

具體來看，17家公司公告中，馬鋼股份預(yù)盈約為4.5億元，而在上一年度該企業(yè)巨虧48.04億元；酒鋼宏興預(yù)盈2.27億元，而在上一年該企業(yè)巨虧69.6億元；此外，三鋼閩光和杭鋼股份也分別預(yù)盈3.71億元和3.4億元，而這兩家鋼企在2015年分別虧損9.16億元和10億元。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，自國家提出去產(chǎn)能以來，鋼企自身在壓縮產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)過程中確實(shí)取得了一定成效，而鋼價(jià)上漲、鋼企盈利在一定程度上也可以視為鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能取得的效果。

民生證券研究報(bào)告指出，目前已有包括河北、山西等20個(gè)省份公布了鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能計(jì)劃。根據(jù)各省去產(chǎn)能的規(guī)劃，鋼鐵大省中，河北預(yù)計(jì)5年壓減1億t產(chǎn)能，江蘇、山東計(jì)劃壓減產(chǎn)能均在1 500萬t以上，重慶、天津、寶鋼壓減產(chǎn)能在800萬t至900萬t，其余大部分省份壓減產(chǎn)能均在300萬t至500萬t。

但目前各地去產(chǎn)能進(jìn)展依然參差不齊。根據(jù)鋼鐵煤炭行業(yè)化解過剩產(chǎn)能和脫困發(fā)展工作部際聯(lián)席會(huì)議內(nèi)容，截至7月底，鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能僅完成全年任務(wù)的47%，總體進(jìn)度不理想，并且地區(qū)之間進(jìn)展也不平衡。

羅維 供稿

Failure Analysis on the Guide Plate for an Auto Door

Li Yingjun Zhou Lin
（SAICMOTOR Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai200438，China）

The guide plate for an auto door has been fractured after being subjected to simulative durability tests about ten thousand times.The failure feature and cause of the guide plate were analyzed by chemical analysis，hardness test，metallographic examination，observation on fracture surfaces and EDSanalysis.The results showed that the fracture feature of the guide platewas fatigue fracture.The main cause of fracture was decarburization on the surface of the guide plate developed during heat treatment process.The depth of decarburization was about 0.15 mm.In practice，gas protection measures should be adopted to ensure no decarburization at the surface，thus improving quality of the guide plate.

auto door，guide plate，fatigue fracture，decarburization

李應(yīng)軍，男，高級(jí)工程師，長期從事車身設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，國家客標(biāo)委委員，上汽優(yōu)秀專業(yè)技術(shù)帶頭人，多次榮獲上汽技術(shù)創(chuàng)新一等獎(jiǎng)，Email：yingjun＿li＠sina.com