崔恩有，孟憲明，吳 昊

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

汽車底盤系統(tǒng)構(gòu)件是汽車上非常重要的結(jié)構(gòu)件，汽車的操穩(wěn)性，舒適性以及可操作性的好壞與底盤系統(tǒng)構(gòu)件密切相關(guān)。汽車底盤構(gòu)件之間是通過橡膠襯套或者螺栓緊密地聯(lián)接在一起，這些聯(lián)接方式的可靠性對于車身底盤的性能起到了至關(guān)重要的作用。汽車在日常使用中會在各種工況下行駛，這些復雜的工況會導致底盤構(gòu)件及其之間的聯(lián)接方式的失效。通過科學的研究方法找到底盤系統(tǒng)構(gòu)件及其聯(lián)接方式的失效原因，對后期車身底盤開發(fā)及其聯(lián)接方式提供優(yōu)化建議起著至關(guān)重要的作用，正確的失效分析將有利于新型產(chǎn)品的開發(fā)與更好的應(yīng)用[1-5]。本文采用先進的SEM、OM和洛氏硬度等實驗設(shè)備結(jié)合失效分析方法對某車型底盤聯(lián)接件的斷裂失效進行了分析，得到了其斷裂失效的原因，為該車型后期優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

1 失效情況

某車型的底盤緊固螺栓在使用工況下出現(xiàn)了裂紋，并產(chǎn)生斷裂，斷裂位置及宏觀形貌如圖1所示。由圖1可以看出，螺柱樣件已斷裂，且斷口存在銹蝕。

圖1 螺柱實物宏觀照片

螺柱高約20～25 mm，螺帽部分直徑約為18 mm，螺母為12 mm，螺柱表面有紅褐色銹和灰白色覆蓋物。基于以上宏觀斷裂特性，對樣件進行斷口分析、金相分析和硬度檢驗。

2 試驗與分析

2.1 原始斷口掃描電鏡分析

分別對圖1中螺柱的A區(qū)和B區(qū)開展掃描電鏡分析，其中A區(qū)形貌如圖2所示。由圖2a可知，A區(qū)表面覆蓋了氧化物，難以有效分辨斷口形貌特征。對圖2a中的線框區(qū)域進行進一步放大，形貌如圖2b所示。由圖2可知，在斷口邊緣的螺紋區(qū)域還存在缺陷損傷和二次裂紋。

圖2 螺柱A區(qū)形貌

同樣，圖1中的B區(qū)表面也覆蓋了氧化物，難以有效分辨斷口形貌特征。為了消除表面覆蓋物的影響，采用低濃度稀鹽酸清洗斷口后觀察斷口，其100×掃描照片如圖3所示。

圖3 螺柱B區(qū)掃描照片(100×)

2.2 原始斷口掃描電鏡及能譜分析

由圖1所示的螺柱斷口宏觀照片可知，盡管表面還殘留一部分銹跡，但表面存在疲勞斷口的貝紋線，斷口左部貝紋線較為密集，上部相對較淺較少，因此選取圖1中左側(cè)的A區(qū)開展掃描電鏡觀察，同時選擇擴展區(qū)中部的B區(qū)進行觀察，對圖1中A區(qū)的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果如圖4所示。由圖4a可見，在螺柱邊緣有1個變形開裂的橢圓形區(qū)域，圍繞四周的是貝紋線；因此認為該橢圓形區(qū)域是裂紋源區(qū)。對圖4a中的Ⅰ區(qū)裂紋源的高倍放大可知，裂紋起源于螺柱表面，且還有二次裂紋，在裂紋中殘留了較厚的氧化物層，其成分如圖4b所示。對圖4a中Ⅱ區(qū)貝紋線放大，其形貌如圖4c所示，除了明顯的貝紋線之外，還能發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，如圖中箭頭所示，是多源疲勞斷裂。從圖4還可以看出，裂紋從外表面產(chǎn)生，在零件反復受力過程中裂紋向內(nèi)部呈放射狀擴展。圖4c顯示了裂紋擴展區(qū)的疲勞紋，可見清晰的疲勞輝紋，并發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋較粗，說明裂紋擴展較快。由以上分析可知，斷裂過程中首先由裂紋源引起裂紋，隨后進一步擴展，達到一定程度后，零件在受力過程中快速撕裂，導致完全斷裂。

圖4 圖1中螺柱A區(qū)掃描照片和能譜

圖1中B區(qū)的50×和500×掃描電鏡照片如圖5所示。圖5a可見該區(qū)域的疲勞貝紋線；進一步放大還能看見疲勞輝紋(見圖5b中的箭頭所示)。

圖5 圖1中螺柱B區(qū)掃描電鏡照片

2.3 金相與硬度的分析

螺柱的金相組織照片如圖6所示。金相組織分析表明，該螺柱金相組織為回火索氏體，是正常的調(diào)質(zhì)組織，晶粒較細小，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。

圖6 螺柱金相組織照片

采用D—30洛氏硬度計對螺柱材料進行硬度測試，檢驗結(jié)果見表1。由表1可知，螺柱硬度平均值為42 HRC，符合螺柱材料使用標準要求。

表1 螺柱硬度檢驗

2.4 斷裂原因分析

通過以上分析結(jié)果可以判斷，底盤緊固螺柱零件在受到外部反復循環(huán)加載工況下，螺柱產(chǎn)生內(nèi)部疲勞裂紋源，之后疲勞裂紋進一步擴展導致螺柱斷裂失效。后期應(yīng)進一步優(yōu)化螺柱的尺寸與聯(lián)接方式，使其避免發(fā)生過度應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以避免或改善螺柱產(chǎn)生疲勞失效的情況。

3 結(jié)語

綜合分析了底盤緊固螺柱件的宏觀斷口、斷裂形貌、金相組織與硬度。螺柱的成分、金相和硬度檢測表明，w(C)=0.385%，為回火索氏體，金相組織為正常的調(diào)質(zhì)組織，晶粒較細小，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。洛氏硬度為42 HRC，符合螺柱材料使用相關(guān)標準要求。對螺柱的斷裂形貌觀察分析可知，其初始表面覆蓋了氧化物，斷口邊緣的螺紋處存在損傷和二次裂紋。斷口銹跡清洗后的形貌和能譜觀察表明，在斷口宏觀形貌中存在貝紋線，在裂紋源處存在二次裂紋和氧化物，在裂紋擴展區(qū)發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋?？梢耘袛啵葜谑艿酵獠糠磸脱h(huán)加載工況下，產(chǎn)生了內(nèi)部疲勞裂紋源，之后疲勞裂紋進一步擴展，最終導致螺柱斷裂失效。

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