□ 黃兆東 □ 何自璋 □ 李 楠

江鈴控股有限公司 南昌 330052

1 研究背景

我國正在快速崛起的汽車產(chǎn)業(yè)，對(duì)有色金屬、鋼鐵、橡膠、塑料、玻璃、涂料等原材料工業(yè)，鑄、鍛、機(jī)加工、熱處理、焊、沖壓、油漆、電鍍、試驗(yàn)、檢測(cè)等設(shè)備制造業(yè)，機(jī)械、電子、電器、化工、建材、輕工、紡織等配套產(chǎn)品和零部件，以及交通運(yùn)輸業(yè)、能源工業(yè)、服務(wù)業(yè)等方面有巨大需求，從而推動(dòng)了這些產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［1］。顯然，汽車產(chǎn)業(yè)的振興能帶動(dòng)諸多相關(guān)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，諸多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展又支撐著汽車產(chǎn)業(yè)的振興。

對(duì)于乘用車而言，左懸置連接支架是發(fā)動(dòng)機(jī)與車身的重要連接件，可支承、固定發(fā)動(dòng)機(jī)，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給車身的振動(dòng)。

由于左懸置連接支架在汽車行駛過程中承受較大的正應(yīng)力和切應(yīng)力，容易發(fā)生斷裂，因此其機(jī)械性能顯得尤其重要［2-3］。

對(duì)于連接支架的材料而言，鋁合金因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐蝕性能好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，因此連接支架的材料選用鋁合金。

一般而言，無論是什么樣的材料，始終都會(huì)存在一定的缺陷，在這一點(diǎn)上鋁及其合金也是不可避免的。大量實(shí)踐表明，材料在使用過程中都會(huì)存在一些微小的缺陷，如疏松、孔洞等，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度、剛度等一些性能下降，甚至造成材料破壞而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。這些缺陷可能是材料本身固有的，也可能是在制造過程中加工造成的，亦或是在使用過程中由于疲勞而累積的損傷［4-7］，這些都表明零件材料本身內(nèi)在質(zhì)量的重要性，研究機(jī)械零件材質(zhì)及其變化狀況是一個(gè)很重要的基礎(chǔ)性課題。

為了節(jié)省企業(yè)成本，同時(shí)給乘車人員提供乘用車行馳的安全保障，筆者以整車路試反饋的斷裂支架為研究對(duì)象，在不考慮支架受力大小的情況下，將支架受力情況作為一個(gè)黑箱看待，僅僅考察支架材料本身及變化狀況，對(duì)黑箱輸出的故障件進(jìn)行較為全面的分析，如斷口宏觀分析、斷口微觀分析、金相顯微組織分析、材料化學(xué)成分分析、硬度性能測(cè)試及拉伸性能測(cè)試等。在理化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合微觀斷口形貌和斷裂機(jī)理，與黑箱輸入的合格支架相比較，從而找出支架斷裂失效的根本原因，并針對(duì)這些原因制訂相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施。

2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某汽車公司整車路試過程中發(fā)生斷裂失效的左懸置連接支架，斷裂處位于螺紋孔與加強(qiáng)筋之間，如圖1所示。該支架材料為ADC12壓鑄鋁合金。

▲圖1 斷裂支架

3 試驗(yàn)步驟

3.1 斷口宏觀分析

支架斷裂位置如圖2所示。斷裂發(fā)生于加強(qiáng)筋與螺紋孔之間變截面位置附近，該處在整車行駛過程中受力較大，且屬于鑄造應(yīng)力集中處。斷口宏觀形貌如圖3所示。斷口整體呈灰色，未見明顯腐蝕形貌，局部發(fā)生嚴(yán)重磨損，并且斷口上可見疏松、孔洞等缺陷。在圖2所示①號(hào)斷口上可見人字紋花樣。

綜上所述，可初步判定斷裂為典型的脆性斷裂，并且由斷口上人字紋花樣收斂方向、斷口擴(kuò)展方向及二次裂紋開裂方向可判斷斷裂起源于內(nèi)側(cè)（加強(qiáng)筋一側(cè)）次表面疏松缺陷處，向外快速擴(kuò)展斷裂。

▲圖2 支架斷裂位置

▲圖3 斷口宏觀形貌

3.2 斷口微觀分析

分別取圖2所示①號(hào)和②號(hào)斷口，超聲清洗后在掃描電鏡下觀察，斷口微觀形貌如圖4所示。試樣表面未見明顯損傷及缺陷，斷口整體粗糙，局部區(qū)域磨損嚴(yán)重，斷口脆性斷裂形貌顯著。由于此種斷裂擴(kuò)展速度極快，因此斷口各處開裂的時(shí)間先后相差無幾，但由斷口擴(kuò)展紋路走向及人字紋花樣的收斂方向可判斷斷裂起源于斷口處次表面疏松、孔洞缺陷。兩斷口形貌相似，為脆性解理斷口，斷口上可見少量疏松、孔洞。

3.3 高倍金相組織分析

切取圖3中③號(hào)和④號(hào)斷口樣品，鑲嵌磨制拋光后用0.5%氫氟酸水溶液腐蝕，檢驗(yàn)斷口附近及正?；w的組織。斷口附近可見疏松缺陷［8］，形貌如圖5所示。斷口附近組織形貌如圖6所示。組織為α固溶體+少量塊狀初晶硅+點(diǎn)狀和條塊狀共晶硅+針狀β相+少量其它析出相。疏松、條塊狀共晶硅及針狀β相的存在會(huì)增大鑄件脆性，降低材料的抗拉強(qiáng)度［9］。正?；w組織形貌如圖7所示。

3.4 材料化學(xué)成分分析

在斷裂樣品上切取化學(xué)試樣，按照GB/T 7999—2015標(biāo)準(zhǔn)［10］采用光譜儀對(duì)斷裂支架的材料成分進(jìn)行檢測(cè)，并將測(cè)試結(jié)果與JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中的ADC12成分要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，該斷裂支架中鐵的含量超出了標(biāo)準(zhǔn)，其余元素的化學(xué)成分均符合JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的成分要求。

表1 材料化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

3.5 試樣拉伸性能測(cè)試分析

▲圖4 斷口微觀形貌

▲圖5 斷口附近疏松缺陷

▲圖6 斷口附近組織形貌

▲圖7 正?；w組織形貌

按照 GB/T 9438—2013 標(biāo)準(zhǔn)［11］的要求，從斷裂支架中切取三根拉伸試樣棒進(jìn)行拉伸測(cè)試，取樣位置如圖8所示。采用GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)［12］中的R6試棒（直徑d=6 mm），在加工拉伸試樣時(shí)發(fā)現(xiàn)三個(gè)試樣棒含有少量的疏松、孔洞缺陷，拉伸試樣棒形貌如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果見表2，由數(shù)據(jù)可見材料的強(qiáng)度較低，低于JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的測(cè)試平均值。各種合金壓鑄件的實(shí)體強(qiáng)度中，拉伸強(qiáng)度平均值為228 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為41 MPa。

表2 拉伸試樣棒抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

▲圖8 拉伸試樣取樣位置

▲圖9 拉伸試樣棒形貌

3.6 試樣硬度性能測(cè)試

切?、厶?hào)斷口上的部分樣品，按照GB/T 4340.1—2009 標(biāo)準(zhǔn)［13］測(cè)試試樣硬度，并采用 ASTM E140-12be1《金屬硬度換算表》將維氏硬度（HV）轉(zhuǎn)換為洛氏硬度（HRB），結(jié)果見表3。

表3 試樣硬度測(cè)試結(jié)果

由表3可知，故障件的硬度測(cè)試結(jié)果略高于JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的HRB測(cè)試平均值。各種合金壓鑄件的實(shí)體強(qiáng)度中，HRB平均值為40.0，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

斷口宏觀分析表明，斷裂開始于加強(qiáng)筋與螺紋孔之間位置，該處受力較大，且屬于鑄造應(yīng)力集中處。斷口微觀分析表明，斷裂起源于次表面的疏松缺陷處，呈典型脆性斷裂形貌，斷口上可見疏松缺陷。金相分析表明，試樣中含有疏松、孔洞等缺陷，同時(shí)組織中含有針狀β相，疏松、條塊狀共晶硅，以及針狀β相的存在會(huì)增大鑄件的脆性，降低材料的抗拉強(qiáng)度。材料化學(xué)成分分析表明，斷裂支架中鐵的含量超出了標(biāo)準(zhǔn)，其余元素的化學(xué)成分均符合JIS H5302—2006《鋁合金壓鑄件》中ADC12鋁合金的成分要求。

拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明，材料抗拉強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)值。硬度測(cè)試數(shù)據(jù)表明，材料硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，引起左懸置連接支架斷裂失效的主要原因包括鑄造時(shí)應(yīng)力集中、材料中存在疏松及孔洞等缺陷、支架中鐵含量超標(biāo)、材料抗拉強(qiáng)度偏低等。這些缺陷的存在嚴(yán)重降低了零件的力學(xué)性能，加上左懸置連接支架在整車路試過程中承受了較大的正應(yīng)力和切應(yīng)力，從而導(dǎo)致支架發(fā)生斷裂失效。

在懸置支架的制造過程中，必須對(duì)鑄造工藝進(jìn)行重新審視和確認(rèn)，及時(shí)優(yōu)化零件鑄造工藝，來減少鑄造缺陷，如：嚴(yán)格控制材料成分中硅、鐵元素的含量；重視材料熔煉過程，在滿足要求的前提下，提高或降低熔煉溫度、延長或縮短熔煉時(shí)間等。這些技術(shù)措施都有利于消除鑄造過程中的疏松、孔洞等缺陷，避免支架在后續(xù)使用過程中發(fā)生斷裂失效。

當(dāng)考慮支架受力狀況時(shí)，有兩個(gè)后續(xù)研究方向，一是如何提高支架的機(jī)械性能以抵抗外力作用，二是如何減小受力。前者的研究對(duì)象是新材料、新熱處理工藝，后者可以通過配置阻尼裝置以減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)力和外力，從而進(jìn)一步達(dá)到提高連接支架性能的目的。