薛喜才

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201800）

0 引言

近年來，隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對舒適性和安全性要求逐漸提高。懸置系統(tǒng)是連接發(fā)動機、變速箱與車身、底盤的關鍵性零部件，其在汽車行駛的平順性和減振降噪上起到關鍵性作用[1-5]。因此，懸置一旦發(fā)生失效，輕則會引起發(fā)動機振動增加、異響，重則可能導致發(fā)動機、變速箱功能零件的損壞，危及車輛的安全[6]。

朱強等[7]對懸置系統(tǒng)的失效進行了統(tǒng)計，主要的失效類別包括懸置橡膠軟墊破損、懸置支架損壞以及懸置梁的扭曲或斷裂等；付長明等[8]對汽車發(fā)動機懸置支臂斷裂失效進行了分析，認為鑄件內存在較為嚴重的疏松缺陷，降低了材料的疲勞性能，引起早期疲勞失效；俞雁等[9]對某汽車發(fā)動機懸置支架斷裂失效進行了分析，認為支架化學成分不合格和鑄造缺陷是支架斷裂的主要原因，類似的懸置失效還有很多。

因此，懸置在設計、生產制造過程中，應該保證足夠的安全系數(shù)并確保零件的質量。本研究采用理化檢驗，找到了此次懸置斷裂的原因，并對故障現(xiàn)象進行了試驗模擬再現(xiàn)。

1 試驗過程與結果

1.1 外觀檢查

汽車變速箱懸置在進行Z 向沖擊試驗過程中支臂發(fā)生斷裂，材料為AlSi9Cu3(Fe)，斷裂件如圖1所示。鋁合金支臂斷裂面保存完好，其他區(qū)域、外殼表面無磕碰痕跡，橡膠襯套無破損，螺栓安裝面無松動的痕跡，可知螺栓無松動。

圖 1 斷裂的變速箱懸置Fig.1 Fractured transmission suspension

根據(jù)以往懸置Z+或Z?方向靜載破斷試驗可知，懸置支臂都斷裂在螺栓孔或加強筋區(qū)域，從未在此位置斷裂，推測該區(qū)域很可能存在損傷，進而成為零件的薄弱點。

1.2 斷口觀察

圖 2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface

在體視顯微鏡下觀察，斷口宏觀形貌如圖2所示。斷面較為平坦，斷裂紋路呈纖維狀，無疲勞特征。斷面上“人字紋”特征較明顯，其中“人字紋”是很多過載斷裂零件的主要特征[10]，根據(jù)紋路匯聚的方向，可以很明顯地確定裂紋源位于零件的表面區(qū)域（圖2a）。由表及里最大深度約3 mm，長度約12 mm 范圍內裂紋擴展的紋路（圖2b 中虛線）與人字紋匯聚的紋路并不連貫，表明支臂不是一次性沖擊斷裂。

將斷口放在掃描電鏡下進行觀察，其微觀形貌如圖3 所示。裂紋源區(qū)域斷裂形貌較少，大部分區(qū)域晶界圓滑，呈凸凹不平的卵石狀，這些形貌不是常溫下斷裂特征而是高溫下自然結晶的形貌，推測裂紋源區(qū)在壓鑄過程中很可能已經受損。

圖 3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface

斷口其他區(qū)域呈現(xiàn)準解理+韌窩形貌，未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征，此屬于過載斷裂斷口。

1.3 金相檢測

沿著支臂裂紋源區(qū)域制取金相試樣，經過鑲嵌、打磨、拋光并經過酒精溶液清洗、吹干后，在光學顯微鏡下觀察，其金相組織如圖4 所示?？梢?，裂紋源區(qū)組織為α-Al+變質硅相，組織無異常，且無嚴重的鑄造缺陷。

裂紋源附近存在多條裂紋，裂紋長度約0.5～1.5 mm，裂紋走向彎曲且不連貫。多條裂紋從鑄件表面、內部萌生，且裂紋尖端比較鈍，這些裂紋很可能是高溫下產生的。

1.4 化學成分分析及硬度測試

對懸置內芯化學成分進行檢測，結果見表1，可知化學成分滿足技術要求值。

圖 4 金相組織Fig.4 Microstructure

表 1 零件化學成分(質量分數(shù) /%)Table 1 Chemical composition of the part (mass fraction /%)

斷裂懸置硬度測試結果為HB 90，滿足技術要求(≥HB 80)。

2 分析與討論

2.1 斷裂原因分析

根據(jù)理化檢測結果可知，支臂的化學成分、硬度及金相組織正常，可以排除材質方面的影響因素。

通過斷口分析結果可知：宏觀上裂紋源與斷口其他區(qū)域紋路走向不連續(xù)，可知支臂不是一次性沖擊斷裂；微觀上裂紋源區(qū)斷裂特征比較少，大部分區(qū)域呈現(xiàn)高溫下自然結晶的形貌[11]，說明裂紋源區(qū)域在高溫下已經受損。金相檢測結果顯示，裂紋源區(qū)附近區(qū)域存在多條次裂紋，這些裂紋彎曲、不連貫，且裂紋尖端比較鈍[12]，裂紋分布無規(guī)律：有些在鑄件表面或近表面，有些在鑄件內部。因此，根據(jù)斷口及金相分析推測，支臂很可能在壓鑄過程就已經開裂，且該裂紋是在高溫下產生的。

根據(jù)鑄件冷卻模流圖（圖5）可知，最先開裂區(qū)域為鑄件最后凝固區(qū)域之一。通過對庫存件進行大量檢驗，均未再次發(fā)現(xiàn)裂紋，基本可以排除鋁合金鑄件凝固階段由于熱應力和收縮應力產生的裂紋。

2.2 模擬再現(xiàn)試驗

為了再現(xiàn)鑄件生產過程中產生裂紋的具體工序，提出以下試驗方案（表2、圖6）：1）冷模具進行壓鑄、脫模；2）開裂部位或全模具不通冷卻水，讓模具處于高溫狀態(tài)進行壓鑄，零件不充分散熱；3）模具內腔不噴涂或減少噴涂脫模劑，讓模具與零件發(fā)生粘連、再脫模；4）減少壓力鑄造中給鋁液施加的壓力；5）以上幾種試驗方案復合，如冷模件+無冷卻或冷模件+無冷卻+無脫模劑；6）減少鑄件的保壓試驗。通過以上試驗方案，觀察再現(xiàn)零件的開裂情況。

圖 5 鑄件冷卻模流圖Fig.5 Model flow diagram of solidification and cooling of casting

表 2 不同壓鑄工藝下模擬試驗結果Table 2 Simulated test results under different die casting processes

圖 6 模擬再現(xiàn)零件Fig.6 Parts for simulated reproduction

通過觀察結果發(fā)現(xiàn)，只有減少鑄件保壓時間的8#模擬試樣出現(xiàn)類似的開裂情況，且裂紋出現(xiàn)的位置與開裂件相似，均在鑄件的最后凝固區(qū)域。因此，通過該試驗可以確定，保壓時間不足，鋁液尚未完全凝固、脫模引起零件開裂，是導致零件失效的根本原因。

3 結論與建議

1）支臂在壓鑄過程中產生初始裂紋，在沖擊性試驗載荷作用下發(fā)生多次過載性斷裂。

2）通過再現(xiàn)試驗可知，鑄件由于保壓時間不足，導致鋁液尚未完全凝固就脫模，在最后凝固區(qū)域產生初始裂紋。