歐雪雁

(安徽江淮汽車集團股份有限公司, 合肥 230022)

轉向彎臂是汽車轉向系統(tǒng)的重要安全零件，在前進、倒車時具有左右轉向的功能，其服役時承受轉向器輸出軸、轉向搖臂、直拉桿及球銷傳遞的拉、壓、彎曲循環(huán)應力。某型號的轉向彎臂材料為40Cr鋼，生產工藝流程主要有熱鍛成形、調質處理、機加工、錐部及臺階高頻感應淬火等。該型轉向彎臂在服役約1 a(年)后陸續(xù)發(fā)生兩起轉向彎臂軸頸處的早期斷裂故障，故障里程分別為59 434，45 450 km。為找到轉向彎臂的斷裂原因，筆者對其中一個斷裂彎臂進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

轉向彎臂(簡稱彎臂)的工藝結構和斷裂位置見圖1，可見圖紙要求斷裂處結構為大端直徑φ38 mm、錐度1…10的錐柄，錐柄及臺階32～38 mm范圍內感應淬火硬化層深度為3～5 mm。裝配工藝為錐柄與左轉向節(jié)錐孔過盈裝配，止動臺階與左轉向節(jié)平面相抵防止旋轉，彎臂外側用螺母固定防止松動。彎臂軸頸處斷口宏觀形貌如圖2所示，可見斷裂起始于左轉向節(jié)裝配錐孔外臺階與錐柄過渡圓角R角內、外側1 mm的錐柄大端上，為垂直于彎臂軸線的正向斷裂。斷裂錐柄呈感應加熱的青藍色，斷口附近外表面4 mm范圍內呈金屬本色，無異常損傷；斷口整體呈雙向彎曲疲勞斷裂特征[1]，將斷口分為A，B，C，D，E 5個區(qū)域，A，E區(qū)域為疲勞裂紋源區(qū)，呈深鐵銹色，A，E區(qū)域的中心點分別為彎臂彎型的內、外側，受到循環(huán)往復應力時首先形成裂紋源；B，D區(qū)域為彎曲疲勞裂紋擴展區(qū)，呈淺鐵銹色，B區(qū)域疲勞輝紋肉眼可見；中間的C區(qū)域為瞬斷區(qū)，呈金屬淺灰色，面積占總斷口的1/3。因左右轉向受力大小不同，A，B區(qū)域的面積略大于E，D區(qū)域的，斷口未見明顯缺陷。

圖1 彎臂的工藝結構和斷裂位置示意圖

圖2 斷裂彎臂斷口宏觀形貌

1.2 微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，結果見圖3。圖3a)，b)分別為A，E區(qū)域SEM低倍形貌，可見A，E區(qū)域為雙向裂紋源區(qū)，疲勞弧線的圓心在斷口中間，且A，E區(qū)域邊緣低倍下均可見車削加工刀痕，未見夾雜物缺陷；圖3c)是A區(qū)域SEM高倍形貌，呈沿加工刀痕面向內擴展的微孔聚集型韌性斷裂形貌；B，D區(qū)域斷裂特征相似，為裂紋擴展區(qū)，呈解理斷裂和斷續(xù)圓弧狀的二次裂紋形貌，B區(qū)域的SEM低倍形貌見圖3d)；圖3e)為C區(qū)域SEM高倍形貌，可見C區(qū)域為解理、韌窩混合斷裂特征形貌，為瞬斷區(qū)[2]。

圖3 斷裂彎臂斷口SEM形貌

1.3 化學成分分析

在斷裂彎臂上取樣進行化學成分分析,結果見表1。由表1可見，彎臂的化學成分符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》對40Cr鋼的技術要求。

表1 彎臂化學成分分析結果(質量分數(shù))

1.4 硬度測試

在斷裂彎臂軸頸處切割試樣進行硬化層硬度測試[3]，結果見表2。由表2可見，基體調質后的布氏硬度和彎臂錐柄處、軸頸凸臺處感應淬火的洛氏硬度均滿足技術要求, 但是R角處硬度為原調質組織硬度[3]，即此處無硬化層，不滿足技術要求。

表2 斷裂彎臂不同位置的硬度測試結果

1.5 金相檢驗

依據(jù)GB/T 13320-2007《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》的技術要求對斷裂彎臂進行基體調質組織檢驗[4-5]，顯微組織為回火索氏體2級，見圖4，滿足標準1～4級的要求。依據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定法》的技術要求，抽樣檢查彎臂原材料40Cr鋼的原始晶粒度，形貌如圖5，測得晶粒度為6級，符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》對特級優(yōu)質鋼原始晶粒度大于5級的要求。

圖4 斷裂彎臂基體的顯微組織形貌

圖5 40Cr鋼的原始晶粒形貌

依據(jù)QC/T 502-2009《汽車感應淬火零件金相檢驗》的技術要求，在彎臂R角內側切取試樣并進行表面硬化層深度和馬氏體等級檢驗[6]，硬化層檢驗位置及顯微組織形貌見圖6，硬化層深度和馬氏體等級檢驗結果見表3，可見錐柄處表面馬氏體等級為2級粗大馬氏體，錐柄處硬化層中已形成沿馬氏體晶界擴展的裂紋，裂紋起源于錐柄R角機加工刀痕處表面。

圖6 斷裂彎臂硬化層檢驗位置及顯微組織形貌

表3 斷裂彎臂硬化層深度和表面馬氏體等級檢驗結果

1.6 受力分析

使用計算機輔助工程(CAE)模型軟件對彎臂進行受力分析，應力集中區(qū)域為錐柄彎型R角內側、外側和彎型“魚鉤狀”內側，如圖7中灰色區(qū)域。

圖7 彎臂服役時的受力分布示意圖

1.7 強度校核

經(jīng)力學模型計算、強度校核可知，該型彎臂的安全系數(shù)為1.67，安全系數(shù)滿足《汽車設計》[7]1.5～2.5的要求。

2 分析與討論

斷裂彎臂斷裂位置位于軸頸大端R角處。從以上檢驗可知，彎臂40Cr鋼材料的化學成分符合標準要求，原始晶粒無粗大現(xiàn)象，調質硬度、顯微組織均滿足要求，排除了原材料和調質質量的原因。由宏觀分析可知，斷裂的錐柄呈感應加熱的青藍色，斷口附近呈金屬本色，說明R角未能有效感應淬火[8]。由微觀分析可知，斷口整體呈雙向彎曲疲勞斷裂特征，裂紋源均呈韌性斷裂特征[9]，裂紋源區(qū)位于R角處，未見沿晶斷裂特征形貌。由硬化層深度和馬氏體等級檢驗可知，R角處無硬化層，錐柄和臺階處馬氏體為粗大的2級馬氏體，分析是感應淬火熱處理工藝不當造成的，因臺階處馬氏體粗大對彎臂影響不大，雖然在錐柄處發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋，但沒有成為最終斷裂的裂紋源，說明此處抗彎曲強度大于未淬火R角處基體的。彎臂斷裂位置為左轉向節(jié)裝配錐孔外R角內、外側1 mm處錐柄大端，正向斷裂，斷裂位置和CAE分析顯示的強度薄弱環(huán)節(jié)一致，應力集中區(qū)域為錐柄彎型R角內側、外側和彎型“魚鉤狀”彎型內側，此處相當于一個變形的懸臂梁根部，懸臂梁的力臂越大，轉向時彎曲應力越容易在R角應力集中區(qū)域萌生裂紋。彎臂服役時，彎曲疲勞抗力不均衡，疲勞強度不足，即表面層截面變化的過渡區(qū)未淬火，R角表面熱處理強化作用不足，導致錐柄薄弱處先產生裂紋源，直至發(fā)生疲勞斷裂，這是該彎臂發(fā)生早期斷裂的根本原因。據(jù)文獻[10]可知，高頻感應淬火可有效地提高零件的彎曲及扭轉疲勞強度，通常小型零件可提高2～3倍，而大型零件可提高20%～30%。這主要是由于表面淬硬層中馬氏體的比體積比內部原始組織的大，使零件表層形成很大的殘余壓應力[10]，該文中零件屬于中小型零件。在表面硬化層不能有效淬硬的情況下，表面機加工刀痕成為斷裂的次要因素，感應淬火試樣的疲勞強度比調質試樣的高，對于缺口試樣感應淬火幾乎可完全消除缺口對疲勞壽命的不利影響[11]。此外，轉向彎臂的設計安全系數(shù)為1.67，滿足《汽車設計》安全系數(shù)為1.5～2.5的要求，可排除設計強度不足因素。

3 結論及建議

(1)轉向彎臂的斷裂形式為雙向彎曲疲勞斷裂。

(2)轉向彎臂斷裂的根本原因是在彎臂R角表面存在機加工刀痕，產生了應力集中，且感應淬火表面熱處理強化作用不足，使截面變化的過渡區(qū)R角處未能有效淬火而存在殘余拉應力，導致裂紋在此處萌生，服役時，在轉向循環(huán)應力作用下裂紋擴展直至發(fā)生疲勞斷裂。

(3)建議調整感應淬火工藝，以保證感應淬火硬化層的均勻性和連續(xù)性。