趙 凱 ， 劉新靈 ， 曹金華 ， 陳 星

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；6.某部駐哈爾濱地區(qū)代表室，哈爾濱 150066）

0 引言

金屬薄壁件在縱向壓力作用下容易發(fā)生失穩(wěn)變形現(xiàn)象[1-4]。失穩(wěn)變形與一般的宏觀塑性變形現(xiàn)象非常相似，主要特點(diǎn)有：1）失穩(wěn)變形失效是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或者穩(wěn)定狀態(tài)的失效，多為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)變形；2）失穩(wěn)變形在大小、方向上一般具有復(fù)雜規(guī)律；3）與拉伸、變曲、撞擊等有明顯受力點(diǎn)和受力方向的塑性變形相比，失穩(wěn)變形與整體受力有關(guān)，受力形式一般難以準(zhǔn)確確定；4）失穩(wěn)變形大都發(fā)生在薄壁結(jié)構(gòu)上；5）失穩(wěn)變形可能只出現(xiàn)在構(gòu)件失穩(wěn)過(guò)程中，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)可以恢復(fù)[5-6]。影響構(gòu)件及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素包括材料剛度、結(jié)構(gòu)形態(tài)、溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等[7-10]。

一些金屬構(gòu)件失穩(wěn)變形后有時(shí)并未完全失效，仍能保持一定的效能；但其失穩(wěn)變形后會(huì)產(chǎn)生彎折塑性變形，這些塑性變形處可能已經(jīng)產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)構(gòu)件再次承受拉壓交變載荷作用時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展甚至斷裂[11-14]。后縱臂為金屬薄板件，其在試驗(yàn)場(chǎng)行駛過(guò)程中多次發(fā)生斷裂故障，本研究對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析。

1 故障背景與試驗(yàn)方法

1.1 故障背景

汽車在試驗(yàn)場(chǎng)行駛21 000 km 后發(fā)現(xiàn)后縱臂斷裂，該后縱臂曾多次發(fā)生斷裂。后縱臂在汽車上所處的位置見(jiàn)圖1。后縱臂在使用過(guò)程中受拉、壓、扭等復(fù)雜載荷，其材質(zhì)為BR600 鋼，酸洗板材，原材料厚度為3.5 mm。板材的抗拉強(qiáng)度經(jīng)檢測(cè)為796.6 MPa。整個(gè)后縱臂經(jīng)沖壓成型，具體的加工過(guò)程為：落料→成型→沖孔→焊接→電泳→檢驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)后縱臂的外觀形貌進(jìn)行觀察，利用體視顯微鏡和掃描電鏡分別對(duì)后縱臂的斷口形貌進(jìn)行宏微觀分析，垂直于后縱臂斷口切取金相試樣并對(duì)其金相組織進(jìn)行檢查，利用金相試樣對(duì)后縱臂的硬度進(jìn)行檢查分析。借助有限元軟件模擬分析結(jié)果，分析確認(rèn)后縱臂的最大應(yīng)力點(diǎn)位置。通過(guò)以上檢查分析結(jié)果，確認(rèn)后縱臂的失效性質(zhì)，分析其斷裂原因，并提出改進(jìn)建議。

圖1 后縱臂所處位置Fig.1 Position of the Back Trailing-arm

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀觀察

后縱臂橫向斷裂于中間，通過(guò)中間的安裝孔（該孔用于安裝塑料固定夾子）。將兩端定義為大端與小端。大端通過(guò)4 個(gè)螺栓孔與車身轉(zhuǎn)向裝置連接，小端與固定板通過(guò)橡膠連接，固定板與車身通過(guò)螺栓連接。斷裂的后縱臂正面與背面表面均存在較多的泥土，斷口有塑性變形。大端的4 個(gè)螺栓孔完整；小端的固定板結(jié)構(gòu)完整，2 個(gè)安裝孔無(wú)明顯的塑性變形（圖2）。

后縱臂斷口表面銹蝕嚴(yán)重，呈紅棕色。整個(gè)斷口根據(jù)表面形貌及斷裂特征可以分為5 個(gè)區(qū)域，如圖3 所示的A～E 區(qū)。

圖2 后縱臂外觀形貌Fig.2 Appearance of the trailing-arm

圖3 后縱臂斷口形貌Fig.3 Fracture of the trailing-arm

A 區(qū)的源區(qū)位于安裝孔與背面形成的直角處，為角源（點(diǎn)源），沿厚度方向及寬度方向擴(kuò)展，可見(jiàn)疲勞弧線特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)較為平整，擴(kuò)展后期及瞬斷區(qū)較為粗糙，整個(gè)A 區(qū)疲勞擴(kuò)展區(qū)約占A 區(qū)面積的2/5。A 區(qū)的源區(qū)側(cè)表面漆層鼓泡，可見(jiàn)銹蝕痕跡，源區(qū)對(duì)應(yīng)的側(cè)表面有擠壓變形特征，源區(qū)側(cè)表面未發(fā)現(xiàn)明顯的加工損傷形貌（圖4）。

圖4 A 區(qū)形貌Fig.4 Appearance of the zone A

B 區(qū)的源區(qū)也位于安裝孔與背面形成的直角處，為角源（點(diǎn)源），沿厚度方向及寬度方向擴(kuò)展，可見(jiàn)疲勞弧線特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)較為平整。B 區(qū)側(cè)表面漆層鼓泡，有銹蝕痕跡，源區(qū)對(duì)應(yīng)的側(cè)表面有少量擠壓變形特征。C 區(qū)與B 區(qū)形貌相類似，其源區(qū)位于表面（背面），與B 區(qū)之間存在的高差臺(tái)階是由于兩擴(kuò)展區(qū)不在同一平面形成的。D 區(qū)多處起源，為線源，源區(qū)位于表面（背面），斷口可見(jiàn)典型的弧線特征，與C 區(qū)之間存在高差臺(tái)階。E 區(qū)的源區(qū)為線源，位于表面（背面），斷口可見(jiàn)典型的弧線特征，與D 區(qū)之間存在高差臺(tái)階（圖5）。

通過(guò)分析斷口各區(qū)的斷裂特征可知，A 區(qū)更為平坦，源區(qū)為點(diǎn)源，疲勞特征更明顯，擴(kuò)展更充分，據(jù)此可判斷，A 區(qū)的源區(qū)為主源，而其余各區(qū)的源區(qū)為次源。將鋼尺放在A～E 區(qū)的源區(qū)側(cè)表面進(jìn)行變形比對(duì)，可見(jiàn)各源區(qū)側(cè)表面發(fā)生彎曲變形，即均存在塑性變形；A～D 區(qū)的變形方向?yàn)橛烧嬷赶虮趁?，E 區(qū)的變形方向剛好相反（圖6）。以上現(xiàn)象表明，后縱臂在中間安裝孔位置處發(fā)生過(guò)彎折塑性變形。

2.2 斷口微觀觀察

將后縱臂斷口用丙酮超聲清洗后放入掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察。整個(gè)斷口絕大部分區(qū)域銹蝕嚴(yán)重。A 區(qū)的源區(qū)位于安裝孔與背面形成的直角處，源區(qū)為銹蝕形貌，在擴(kuò)展后期的一處銹蝕稍輕的區(qū)域可觀察到疲勞條帶特征（圖7）。B～E 區(qū)均銹蝕嚴(yán)重，源區(qū)特征不清晰。

2.3 金相檢驗(yàn)

垂直于后縱臂斷口沿縱向切取試樣，進(jìn)行金相組織檢查。斷口及其附近的金相組織為拉成長(zhǎng)條的鐵素體+珠光體，未見(jiàn)夾雜物冶金缺陷（圖8）。

圖5 B～E 區(qū)形貌Fig.5 Appearance of the B～E zone

圖6 A 和E 區(qū)變形方向示意圖Fig.6 Diagram of deformation direction in zone A and E

圖7 A 區(qū)微觀特征Fig.7 Microscopic appearance of zone A

2.4 硬度檢測(cè)

利用垂直于后縱臂斷口沿縱向切取的金相試樣對(duì)后縱臂的顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，后縱臂的硬度較為均勻，其均值為HV 265。根據(jù)GB/T 1172—1999 換算成抗拉強(qiáng)度約為919 MPa，比原材料板材測(cè)得的抗拉強(qiáng)度高，這是由于后縱臂沖壓形變后應(yīng)變硬化所致。

2.5 有限元模擬分析

1）各工況條件下受力分析。利用有限元Abaqus軟件對(duì)后縱臂進(jìn)行建模，約束后縱臂小端的6 個(gè)自由度，利用車輛在顛簸、制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向、凹坑轉(zhuǎn)向、加速轉(zhuǎn)向、制動(dòng)轉(zhuǎn)向、倒車沖擊以及動(dòng)態(tài)載荷情況時(shí)監(jiān)測(cè)到的后縱臂大端的位置變化數(shù)據(jù)對(duì)大端施加位移，分析得到后縱臂在這些情況下的最大受力點(diǎn)位置（圖9）。結(jié)果表明，無(wú)論哪種工況，后縱臂的最大應(yīng)力點(diǎn)均不在本次故障開(kāi)裂的安裝孔處，而是在大端的螺栓孔或其附近。

圖8 后縱臂金相組織Fig.8 Metallographic structure of the trailing-arm

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Results of hardness analysis

2）變形模擬結(jié)果。分析后縱臂變形后的位移情況，將變形之后的后縱臂與未變形的后縱臂取中間截面進(jìn)行對(duì)比（圖10）。結(jié)果表明，后縱臂變形后背面受壓，正面受拉；橫截面的兩端向外變形（圖10b 中箭頭指向），這與所觀察到的后縱臂故障件宏觀變形方向相吻合。

3）變形后受拉模擬結(jié)果。

建立彎折塑性變形后的后縱臂模型，當(dāng)其再受拉時(shí)，其最大應(yīng)力點(diǎn)位置見(jiàn)圖11。結(jié)果表明，后縱臂發(fā)生彎折塑性變形后，當(dāng)其再受拉時(shí)其最大應(yīng)力點(diǎn)位于安裝孔與背面形成的直角處，與本次故障的主源位置相一致。

3 分析與討論

后縱臂主源區(qū)位于安裝孔與背面形成的直角處，斷口宏觀可見(jiàn)明顯的疲勞弧線特征，微觀可見(jiàn)疲勞條帶特征。據(jù)此可以確定，后縱臂的失效性質(zhì)為疲勞斷裂。

后縱臂斷口A 區(qū)更為平坦，源區(qū)為點(diǎn)源，疲勞特征更明顯，擴(kuò)展更充分，可判斷A 區(qū)的源區(qū)為主源，而其余各區(qū)的源區(qū)為次源。A 區(qū)的源區(qū)（主源區(qū)）存在銹蝕形貌，能譜分析結(jié)果表明，源區(qū)附近存在S、Cl 腐蝕性元素，但A 區(qū)的源區(qū)進(jìn)行截面金相試樣未觀察到明顯的沿晶開(kāi)裂形貌，可推斷腐蝕元素來(lái)源于后縱臂斷裂后的沾染。后縱臂斷口宏觀存在塑性變形。對(duì)A～E 區(qū)的源區(qū)側(cè)表面進(jìn)行變形比對(duì)可知，后縱臂疲勞開(kāi)裂前在中間位置發(fā)生過(guò)失穩(wěn)塑性變形，變形方向由正面指向背面。有限元模擬結(jié)果也表明，當(dāng)后縱臂彎折變形后其變形方向與實(shí)際斷口的變形方向相吻合。有限元模擬計(jì)算結(jié)果顯示，無(wú)論哪種受力狀態(tài)，后縱臂的最大應(yīng)力點(diǎn)均不在本次故障開(kāi)裂的安裝孔處，而是在大端的螺栓孔或其附近。此外，有限元模擬結(jié)果顯示，若后縱臂在中間發(fā)生彎折變形后再次受拉時(shí)其最大應(yīng)力點(diǎn)位置位于中間安裝孔與背面形成的直角處，與本次故障件的主源位置相吻合。

圖9 有限元模擬計(jì)算結(jié)果（應(yīng)力云圖）Fig.9 Finite element analysis results

圖10 后縱臂變形后與變形前比較Fig.10 The comparison between the model and the deformed

圖11 變形后的后縱臂模型及應(yīng)力云圖Fig.11 Deformed model and the stress nephogram

后縱臂在使用過(guò)程的不同工況下可能會(huì)分別受拉、壓、扭等載荷。對(duì)于后縱臂這種薄板狀結(jié)構(gòu)件，當(dāng)其受壓時(shí)由于整個(gè)后縱臂中間的安裝孔處無(wú)約束支撐，在較大壓力作用下會(huì)存在失穩(wěn)變形的可能。當(dāng)其失穩(wěn)塑性變形后，一方面會(huì)在塑性變形處產(chǎn)生微裂紋等損傷，另一方面當(dāng)其再受拉時(shí)，其最大應(yīng)力點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)移到中間安裝孔應(yīng)力集中處，在交變載荷的作用下裂紋向前擴(kuò)展最終發(fā)生疲勞斷裂。

綜上所述，后縱臂的失效性質(zhì)為疲勞斷裂。后縱臂的失效過(guò)程為：在壓應(yīng)力作用下后縱臂中間安裝孔處首先發(fā)生失穩(wěn)變形，當(dāng)后縱臂再次受拉時(shí)最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移到中間安裝孔處，在交變載荷的作用下發(fā)生疲勞開(kāi)裂；因此，后縱臂失效的根本原因?yàn)閯偠炔蛔銓?dǎo)致在壓應(yīng)力作用下發(fā)生失穩(wěn)變形。適當(dāng)增加后縱臂的厚度以提高其剛度，厚度增加后的后縱臂未再發(fā)生過(guò)類似的斷裂故障。

4 結(jié)論

1）后縱臂的斷口呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，其在斷裂前曾發(fā)生失穩(wěn)塑性變形。

2）后縱臂失穩(wěn)塑性變形后并未完全失效，但在變形處產(chǎn)生微裂紋等損傷，在交變載荷的作用下裂紋向前擴(kuò)展并最終發(fā)生斷裂；因此，后縱臂失效的根本原因?yàn)閯偠炔蛔恪?/p>

3）對(duì)質(zhì)量不敏感的承壓薄壁件可以適當(dāng)增加其厚度進(jìn)而提高其剛度，可以有效避免失穩(wěn)變形的發(fā)生。