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生開裂。通過宏觀檢查、化學成分分析、微觀分析、金相檢驗等方法，對擺臂的開裂原因進行了分析。結果表明：該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂，擺臂在鍛造過程中產生了折疊缺陷，折疊缺陷內伴生夾雜及微裂紋，在工作應力下折疊缺陷成為疲勞源，最終導致擺臂開裂。
關鍵詞：擺臂；鍛造；折疊缺陷；夾雜；微裂紋；疲勞開裂
一橋擺臂是車輛轉向系統的重要零件之一，其主要作用是將轉向拉桿的力傳遞至轉向節臂上，從而實現車輛的轉向。某重型汽車一橋擺臂在服役期間發生開裂，該開裂一橋擺臂的材料為40Cr鋼，加工工序為：下料→自由鍛→模鍛→噴砂→熱處理→機加工→表面噴漆。為查明該一橋擺臂開裂的原因，筆者對其進行了檢驗和分析，以期避免此類事件的再次發生。
1理化檢驗
1．1宏觀檢查
開裂擺臂的宏觀形貌如圖1所示，可見開裂發生在折彎處，沿厚度方向兩側均可見開裂。開裂擺臂的表面孔位有裝配痕跡，其余部位未見嚴重的磕碰、擦傷等外來機械損傷。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。可見紅褐色物質覆蓋的較不平坦區域為開裂斷面，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，并向內擴展15～20mm。開裂斷面距擺臂表面1～3mm區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化學成分分析
采用直讀光譜分析儀對開裂擺臂的化學成分進行分析，結果見表1。可見開裂擺臂的化學成分符合GB／T3077－2015《合金結構鋼》對40Cr鋼的成分要求。
1．3微觀分析
擺臂的開裂斷面經拋光后，使用4％（體積分數）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有一淺色近似扇形的區域。扇形區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。開裂擺臂正常區域的顯微組織為中等粗細的回火索氏體＋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，缺陷兩側較平滑并伴有明顯的脫碳，其內部有斷續分布的夾雜及微裂紋，如圖6所示。
1．4金相檢驗
對同批次的未服役擺臂（對應開裂擺臂的開裂處）進行金相檢驗，試樣經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。在光學顯微鏡下觀察，可見“幾”字形缺陷兩側有輕微貧碳現象，且內部有斷續分布的微孔洞、夾雜等，如圖8所示。
2分析與討論
由上述理化檢驗結果可知，開裂擺臂的化學成分符合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開裂位置上的流線呈“幾”字形分布，表明該區域在壓應力作用下發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，并結合擺臂的加工工藝可知，此缺陷為鍛造過程中產生的折疊缺陷。折疊缺陷破壞了擺臂的連續性，成為應力集中源、裂紋源等，而且顯著降低擺臂的力學性能，導致擺臂在此處萌生裂紋，在正常服役過程中裂紋會逐漸擴展。由調查可知，擺臂在噴砂結束后表面有肉眼可見的程度不一的缺陷，故對擺臂表面進行了補焊處理，斷口上富集的小臺階即為補焊所致。由檢驗結果可知，補焊未完全消除擺臂的折疊缺陷，且補焊所用焊條與母材成分有較大差異。當擺臂出現折疊缺陷時可以通過合理的補焊工藝進行修補，但必須注意以下幾點：補焊應在擺臂熱處理之前；折疊缺陷應進行機械打磨，待完全消除后再進行補焊；補焊時應采用與母材成分相近的焊條。
3結論及建議
該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂，擺臂在鍛造過程中產生了折疊缺陷，折疊缺陷內伴生夾雜及微裂紋，在工作應力下折疊缺陷成為疲勞源，最終導致擺臂開裂。建議優化擺臂的鍛造工藝，選擇合適的折彎模具，以減少折疊缺陷的產生；對擺臂易產生折疊缺陷的部位進行磁粉探傷檢測，加強擺臂的質量檢驗。
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作者：李琳琳 慕松 單位：陜西重型汽車有限公司
