重型汽車擺臂開裂原因分析
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摘要：某重型汽車的一橋擺臂在服役期間發(fā)生開裂。通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、微觀分析、金相檢驗(yàn)等方法，對擺臂的開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂，擺臂在鍛造過程中產(chǎn)生了折疊缺陷，折疊缺陷內(nèi)伴生夾雜及微裂紋，在工作應(yīng)力下折疊缺陷成為疲勞源，最終導(dǎo)致擺臂開裂。
關(guān)鍵詞：擺臂；鍛造；折疊缺陷；夾雜；微裂紋；疲勞開裂
一橋擺臂是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零件之一，其主要作用是將轉(zhuǎn)向拉桿的力傳遞至轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。某重型汽車一橋擺臂在服役期間發(fā)生開裂，該開裂一橋擺臂的材料為40Cr鋼，加工工序?yàn)椋合铝稀杂慑憽ｅ憽鷩娚啊鸁崽幚怼鷻C(jī)加工→表面噴漆。為查明該一橋擺臂開裂的原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，以期避免此類事件的再次發(fā)生。
1理化檢驗(yàn)
1．1宏觀檢查
開裂擺臂的宏觀形貌如圖1所示，可見開裂發(fā)生在折彎處，沿厚度方向兩側(cè)均可見開裂。開裂擺臂的表面孔位有裝配痕跡，其余部位未見嚴(yán)重的磕碰、擦傷等外來機(jī)械損傷。將擺臂的裂紋打開后觀察裂紋開裂面形貌，圖2為開裂斷面的宏觀形貌。可見紅褐色物質(zhì)覆蓋的較不平坦區(qū)域?yàn)殚_裂斷面，其余斷面則是打開裂紋時切割形成的，開裂斷面貫通擺臂的厚度方向，并向內(nèi)擴(kuò)展15～20mm。開裂斷面距擺臂表面1～3mm區(qū)域分布有較多小臺階，其余開裂斷面則呈典型的纖維狀，人字紋指向擺臂表面裂紋。
1．2化學(xué)成分分析
采用直讀光譜分析儀對開裂擺臂的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。可見開裂擺臂的化學(xué)成分符合GB／T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對40Cr鋼的成分要求。
1．3微觀分析
擺臂的開裂斷面經(jīng)拋光后，使用4％（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液浸蝕，其宏、微觀形貌如圖3所示，可見開裂斷面上富集小臺階的部位內(nèi)有一淺色近似扇形的區(qū)域。扇形區(qū)域的顯微組織形貌如圖4所示，可見其顯微組織為鐵素體＋片狀珠光體＋貝氏體，片狀珠光體輕微破碎。開裂擺臂正常區(qū)域的顯微組織為中等粗細(xì)的回火索氏體＋少量貝氏體＋少量鐵素體，如圖5所示。在擺臂開裂斷面的次表面可見多條與開裂斷面平行的條帶狀缺陷，缺陷兩側(cè)較平滑并伴有明顯的脫碳，其內(nèi)部有斷續(xù)分布的夾雜及微裂紋，如圖6所示。
1．4金相檢驗(yàn)
對同批次的未服役擺臂（對應(yīng)開裂擺臂的開裂處）進(jìn)行金相檢驗(yàn)，試樣經(jīng)磨拋后的宏觀形貌如圖7所示。可見該處的流線呈“幾”字形分布，“幾”字開口朝向擺臂表面。在“幾”字開口處有線狀缺陷，該缺陷顏色較淺。在光學(xué)顯微鏡下觀察，可見“幾”字形缺陷兩側(cè)有輕微貧碳現(xiàn)象，且內(nèi)部有斷續(xù)分布的微孔洞、夾雜等，如圖8所示。
2分析與討論
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，開裂擺臂的化學(xué)成分符合GB／T3077－2015對40Cr鋼的成分要求，且其顯微組織正常。開裂發(fā)生在擺臂的折彎處，在開裂面的次表面可見多條與開裂面近似平行的條帶狀缺陷，同批次未服役擺臂對應(yīng)開裂位置上的流線呈“幾”字形分布，表明該區(qū)域在壓應(yīng)力作用下發(fā)生了劇烈的塑性變形，“幾”字形開口處可見線狀缺陷。通過缺陷的微觀形貌，并結(jié)合擺臂的加工工藝可知，此缺陷為鍛造過程中產(chǎn)生的折疊缺陷。折疊缺陷破壞了擺臂的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源、裂紋源等，而且顯著降低擺臂的力學(xué)性能，導(dǎo)致擺臂在此處萌生裂紋，在正常服役過程中裂紋會逐漸擴(kuò)展。由調(diào)查可知，擺臂在噴砂結(jié)束后表面有肉眼可見的程度不一的缺陷，故對擺臂表面進(jìn)行了補(bǔ)焊處理，斷口上富集的小臺階即為補(bǔ)焊所致。由檢驗(yàn)結(jié)果可知，補(bǔ)焊未完全消除擺臂的折疊缺陷，且補(bǔ)焊所用焊條與母材成分有較大差異。當(dāng)擺臂出現(xiàn)折疊缺陷時可以通過合理的補(bǔ)焊工藝進(jìn)行修補(bǔ)，但必須注意以下幾點(diǎn)：補(bǔ)焊應(yīng)在擺臂熱處理之前；折疊缺陷應(yīng)進(jìn)行機(jī)械打磨，待完全消除后再進(jìn)行補(bǔ)焊；補(bǔ)焊時應(yīng)采用與母材成分相近的焊條。
3結(jié)論及建議
該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂，擺臂在鍛造過程中產(chǎn)生了折疊缺陷，折疊缺陷內(nèi)伴生夾雜及微裂紋，在工作應(yīng)力下折疊缺陷成為疲勞源，最終導(dǎo)致擺臂開裂。建議優(yōu)化擺臂的鍛造工藝，選擇合適的折彎模具，以減少折疊缺陷的產(chǎn)生；對擺臂易產(chǎn)生折疊缺陷的部位進(jìn)行磁粉探傷檢測，加強(qiáng)擺臂的質(zhì)量檢驗(yàn)。
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作者：李琳琳 慕松 單位：陜西重型汽車有限公司
