汽車天窗水槽連接鞘失效案例研究

孫曉曉， 狄春峰， 胡仁其

(上汽集團股份有限公司乘用車公司中心實驗室， 上海 201804)

0 前言

隨著塑料及復(fù)合材料應(yīng)用的增多，非金屬零件的失效分析現(xiàn)成為新的研究方向。與金屬材料相比，復(fù)合材料具有更復(fù)雜的失效模式，零件的結(jié)構(gòu)、材料性能、注塑工藝、物流運輸、裝配等各個階段均有可能造成零件失效。目前，關(guān)于非金屬失效分析程序，大概包括以下幾個重要環(huán)節(jié)：(1) 失效背景的信息收集：比如失效件的失效情況，零件的結(jié)構(gòu)、材料、工藝、圖紙、分供方清單、裝配流程、工況等；(2) 失效件的宏觀分析：即對失效件及對手件的外觀等異常點的記錄和檢查；(3) 失效件及新件的材料性能檢測：包括零件的物理性能、力學(xué)性能、耐候性能等；(4) 失效件斷口的詳細分析：通過體式顯微鏡或者掃描電子顯微鏡等手段判斷出失效件的斷裂起始及裂紋擴展方向，從而判斷失效件的斷裂形式及受力方向；(5) 失效模擬：對零件可能的失效形式進行模擬復(fù)現(xiàn)，并對復(fù)現(xiàn)斷口進行觀察，證明推斷的正確性；(6) 提出相應(yīng)的整改建議，并對整改后的零件進行驗證[2-3]。

本文以汽車天窗水槽連接鞘的失效為例，從背景信息、宏觀目視、材料性能、斷口形貌、零件結(jié)構(gòu)等多個方面研究了天窗水槽連接鞘的失效原因并進行了整改及驗證。

1 失效背景

天窗水槽連接鞘材料：PP-GF40。

背景信息：零件試制階段，在進行反復(fù)推拉天窗時，發(fā)現(xiàn)多個天窗水槽連接鞘斷裂，有的零件在連接鞘接頭處斷裂，有的零件同時在連接鞘接頭和連接鞘根部斷裂。

2 失效分析

2.1 宏觀分析

經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)所有失效件斷裂模式相同，有的零件僅連接鞘接頭處斷裂，有的零件同時在連接鞘接頭和連接鞘根部斷裂。以其中一個失效件為例進行分析。

如圖1所示，失效的天窗水槽有兩處斷裂，斷口1為連接鞘接頭，斷口2為連接鞘根部，兩處的斷裂位置均為零件的應(yīng)力集中處。仔細觀察失效件表面，零件無變形，表面未見氣流痕、熔接痕等缺陷，沒有明顯的受外力痕跡。

圖1 失效件

2.2 分析的儀器和設(shè)備

傅里葉變換紅外光譜儀：NICOLET 6700，美國NICOLET公司；

高黎貢山國家級自然保護區(qū)東坡垂直落差高達6 000 m，氣候變化復(fù)雜，是全球生物多樣性的重點區(qū)域，具有非常重要的生態(tài)意義〔6〕。高黎貢山西坡巨大的垂直落差造成氣候、土壤和植被的垂直地帶性差異明顯〔7〕。高黎貢山坡向的差異使溫度、降水等環(huán)境因子的變化顯著，因此可作為研究坡向?qū)ν寥牢⑸锓植几窬钟绊懙睦硐雲(yún)^(qū)域。

差示掃描量熱儀：AQ20，美國TA公司；

馬弗爐：RMF-40，日森機械股份有限公司；

擺錘沖擊試驗機：GT-7045-MDL，高鐵檢測儀器公司；

體式顯微鏡：VHX-2000E，日本基恩士公司。

2.3 紅外光譜分析

對失效件及供應(yīng)商提供的新批次零件進行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果如圖2所示。通過傅里葉紅外光譜儀(FTIR)分析零件的有機官能團結(jié)構(gòu)可知，失效件、新件紅外譜圖一致，其中2 958～2 832 cm-1是—C—H吸收帶，1 456 cm-1是亞甲基吸收峰、1 372 cm-1是甲基吸收峰，1 163～780 cm-1吸收帶表明多個亞甲基直鏈相連。結(jié)果表明，失效件、新件與等規(guī)聚丙烯的傅里葉紅外光譜一致，符合技術(shù)要求。

(a) 失效件

(b) 新件

2.4 差示掃描量熱分析

對失效件及供應(yīng)商提供的新批次零件進行差示掃描量熱分析，分析圖譜如圖3所示。結(jié)果表明，失效件、新件熔點均為163 ℃，兩次放熱焓值相近，結(jié)合傅里葉紅外光譜分析結(jié)果可知，失效件及新件材質(zhì)檢測結(jié)果為等規(guī)聚丙烯，符合圖紙及分供方清單的要求。

2.5 灰分檢測

根據(jù)圖紙及供應(yīng)商提供的分供方清單可知，該零件的灰分含量應(yīng)為38%±3%。利用馬弗爐加熱至620 ℃，保持2 h后隨爐冷卻，通過稱量零件鍛燒前后的質(zhì)量，計算得出煅燒后剩余物質(zhì)所占的比例，即為灰分的含量。檢測結(jié)果見表1。

表1 灰分含量檢測結(jié)果

從表1中可知，失效件灰分含量為37.6%，新件灰分含量為39.0%，兩個零件的測試結(jié)果均滿足要求：38%±3%。綜上，失效件及新件材料為PP+GF40，與圖紙及分供方清單提供信息一致。

(a) 失效件

(b) 新件

2.6 沖擊試驗

天窗水槽進行開啟關(guān)閉時會受到一定的沖擊力，因此需要考察零件的沖擊性能。對失效件、新件進行零件取樣，制備無缺口沖擊樣條，待樣條調(diào)節(jié)穩(wěn)定后進行測試。測試結(jié)果見表2，失效件的無缺口沖擊強度為21 kJ/m2，新件的無缺口沖擊強度為22 kJ/m2，失效件及新件的沖擊性能均滿足材料大綱使用要求(≥15 kJ/m2)。

表2 無缺口沖擊強度檢測結(jié)果

2.7 斷口微觀形貌分析

在體視顯微鏡下觀察失效件，斷口照片如圖4示。天窗水槽左右兩側(cè)的連接鞘均發(fā)生斷裂。斷口1從連接鞘接頭根部斷裂，斷裂起始結(jié)構(gòu)平整，斷口表面光滑無銀紋，斷裂形式為脆斷，裂紋沿圖4(左)所示方向擴展至斷裂終止。斷口2是從連接鞘根部斷裂，斷裂起始為連接鞘根部下側(cè)，如圖4(右)所示，斷口2斷裂形式亦為脆斷，表面光滑，無銀紋，裂紋沿受力方向擴展，且斷裂終止處有飛邊產(chǎn)生。

圖4 失效件斷口體式顯微鏡照片

斷口1及斷口2的斷裂起始位置均為零件的應(yīng)力集中部位，即零件最薄弱的地方。當(dāng)受到外力作用時，零件首先在最薄弱的地方出現(xiàn)少量纖維斷裂，接著載荷通過基體傳遞到鄰近纖維。之后，隨著載荷的持續(xù)增加，引起更多的纖維斷裂。當(dāng)斷裂的截面承載能力低于施加載荷時，零件發(fā)生最終失效[4]。天窗水槽使用的材料為PP+GF40，在受到外力時，此復(fù)合材料可以通過聚丙烯與玻纖復(fù)合時產(chǎn)生的橫晶，有效地阻礙應(yīng)力傳遞及裂紋的擴展[5]。

將斷口1、斷口2分別剖開在體式顯微鏡下進行觀察，發(fā)現(xiàn)零件剖切面有很多100～200 μm左右的孔洞，系注塑工藝缺陷，見圖5。零件內(nèi)部存在孔洞的可能原因[6]如下。

(1) 原料方面：原料未充分干燥，原材料中含有易揮發(fā)物質(zhì)，再生料含量太多。

(2) 注塑工藝參數(shù)控制不當(dāng)：設(shè)定注射壓力太低，注射速度太快，注射時間和周期太短，加料量過多或過少，保壓不足，冷卻不均勻或冷卻不足，以及料溫及模溫控制不當(dāng)?shù)龋紩鹚芗?nèi)產(chǎn)生孔洞。建議可通過調(diào)節(jié)注射和保壓時間，改善冷卻條件，控制加料量等方法避免產(chǎn)生氣泡及真空泡。

(3) 模具缺陷：模具的澆口位置不正確或澆口截面太小，或模具排氣不良。可以盡量避免塑件形體上有厚薄懸殊太大的設(shè)計，同時增加排氣。

由于零件內(nèi)部存在注塑缺陷，要求供應(yīng)商檢查原料、注塑工藝參數(shù)及模具排氣等查找零件內(nèi)部產(chǎn)生孔洞的原因并整改。

2.8 結(jié)構(gòu)分析

圖6為天窗的裝配結(jié)構(gòu)。從圖6中可知，水槽連接鞘接頭與天窗的機械組相連接。天窗關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)人朝車后方向?qū)φ陉柊迨┘記_擊力時，力通過水槽滑座傳遞到水槽與機械組連接處，此時水槽連接鞘接頭及水槽連接鞘的根部受力。

綜合斷口1及斷口2的裂紋擴展方向可知，兩個斷口受到的外力方向與天窗打開時受到的沖擊力方向一致。由此推斷，當(dāng)人施加的載荷朝車后方向?qū)φ陉柊迨┘記_擊力超過零件的承載能力時，零件發(fā)生斷裂失效。

2.9 失效模擬

工程試驗大綱對天窗水槽的濫用力要求：當(dāng)對水槽施加15g的加速度時，零件無開裂、無變形。取失效件同批次零件，對天窗水槽進行濫用力模擬試驗，如圖7所示，觀察零件試驗后是否有斷裂現(xiàn)象。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在15g的加速度作用下，失效件同批次零件的水槽連接鞘接頭及連接鞘根部發(fā)生斷裂。模擬件兩個斷口的斷裂起始位置與失效件一致，都是零件的應(yīng)力集中部位，兩個斷口的裂紋擴展方向也與失效件一致，如圖8所示。綜上分析，當(dāng)前的零件無法滿足天窗的濫用力要求。當(dāng)天窗受到較大外力作用時，連接鞘會發(fā)生類似的斷裂失效。

3 整改及驗證

從水槽連接鞘的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)現(xiàn)，連接鞘接頭及連接鞘根部應(yīng)力集中，是零件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)零件受到較大外力作用時，連接鞘接頭及連接鞘根部處易受力失效。因此，決定對天窗水槽連接鞘的結(jié)構(gòu)進行改進：(1) 在水槽連接鞘接頭的根部增加倒角；(2) 在水槽連接鞘的根部增加加強筋，提高零件的結(jié)構(gòu)強度，如圖9所示。

對結(jié)構(gòu)更改后的零件進行濫用力驗證：對水槽施加15g的加速度。試驗結(jié)果表明：整改后的零件在15g的加速度作用下連接鞘接頭及連接鞘根部均未發(fā)生斷裂，符合試驗大綱要求。由此可見，在水槽連接鞘接頭的根部增加R角及在水槽連接鞘的根部增加加強筋可以提高零件的結(jié)構(gòu)強度。經(jīng)長時間跟蹤研究，該零件在此次失效斷點后再無類似失效發(fā)生。

4 結(jié)論

本文結(jié)合非金屬失效分析流程，對失效件天窗水槽分別進行了材料分析、斷口分析、結(jié)構(gòu)分析及失效模擬，發(fā)現(xiàn)該零件結(jié)構(gòu)薄弱，容易在裝配、檢查等環(huán)節(jié)斷裂失效。通過在零件應(yīng)力集中處增加倒角和在零件結(jié)構(gòu)薄弱處增加加強筋，該零件的結(jié)構(gòu)強度得到了提高，并且據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)證實，該零件在結(jié)構(gòu)改善后未再發(fā)生過類似失效。由于非金屬零部件失效分析的領(lǐng)域剛剛開始發(fā)展，很多分析流程和分析手段還不完善，再加上非金屬材料類型眾多，失效模式復(fù)雜，建議非金屬失效分析人員在工作中加強總結(jié)，互相交流學(xué)習(xí)，汲取經(jīng)驗，共同提高失效分析水平。