汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置斷裂原因分析

供稿|張靜，張濤 / ZHANG Jing, ZHANG Tao

內(nèi)容導(dǎo)讀

作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的重要零件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置起著連接發(fā)動(dòng)機(jī)與車身、支撐發(fā)動(dòng)機(jī)重量和隔離發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的作用。某車型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在裝配擰緊過程中發(fā)生斷裂事故。為分析斷裂原因，對斷裂懸置的外觀、機(jī)械性能、金相組織、斷口形貌和化學(xué)成分等進(jìn)行了檢測，并分析了其受力情況。導(dǎo)致懸置斷裂失效的原因是：裝配擰緊過程中螺栓擰緊順序異常，導(dǎo)致懸臂與發(fā)動(dòng)機(jī)支承面沒有完全貼合，使得懸臂受到附加彎矩超過其強(qiáng)度導(dǎo)致斷裂。根據(jù)鋁鑄件材料的特點(diǎn)，提出了保證懸臂螺栓的擰緊順序，避免了因安裝面不平行導(dǎo)致懸臂受力異常引發(fā)斷裂。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最主要的振源之一，對整車乘坐的舒適性和操控穩(wěn)定性有著很大的影響[1-2]?，F(xiàn)階段汽車追求高速化和輕量化，對發(fā)動(dòng)機(jī)隔振技術(shù)要求越來越高。作為發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的重要零件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置起著連接發(fā)動(dòng)機(jī)與車身、支撐發(fā)動(dòng)機(jī)重量和隔離發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的作用[3]。從隔振角度來說，期望發(fā)動(dòng)機(jī)懸置越軟越好，以便將振動(dòng)過濾到最小；從支撐角度和發(fā)動(dòng)機(jī)艙有限空間考慮，則希望發(fā)動(dòng)機(jī)懸置不至于太軟，最好能使發(fā)動(dòng)機(jī)固定不動(dòng)，因此懸置既要滿足一定的剛性又要有一定的韌性[4]。目前發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主要有橡膠懸置和液壓懸置兩大類，其外殼和芯部材質(zhì)一般為鑄造鋁合金[5-6]，中間連接處為橡膠或阻尼液。其中液壓懸置主要由弓形殼體、支承橡膠總成、懸臂、底座、流道、阻流盤、外膜蓋和阻尼液等組裝而成。弓形殼體和懸臂一般選用鑄造性能較好的鋁硅系合金[7]，采用低壓鑄造成型的方式生產(chǎn)[8]。

某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)液壓懸置在進(jìn)行裝配擰緊時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂位置位于懸臂處，裂紋靠近其中的一個(gè)螺栓通孔。該懸置的設(shè)計(jì)材料為鋁硅系鑄造鋁合金，牌號為AlSi12Cu，懸臂抗拉強(qiáng)度要求大于240 MPa，屈服強(qiáng)度大于140 MPa。為確定該懸置的斷裂原因，對斷裂零件及其斷口進(jìn)行了化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相組織分析、斷口宏觀分析、斷口微觀分析和孔隙率分析。

實(shí) 驗(yàn)

斷口的宏觀形貌

圖1 懸置外觀和懸置斷口具體位置

懸置的外觀及斷裂位置如圖1所示，斷裂位置位于最右側(cè)安裝孔的附近，斷口貼近右側(cè)螺紋安裝孔，裂紋已近裂透整個(gè)懸臂。對3個(gè)螺栓孔編號1#、2#和3#。如圖1中箭頭和圖2所示，從安裝孔的螺栓擰緊痕跡來看，1#和2#擰緊結(jié)束時(shí)螺帽與懸臂表面有非對稱刮擦的痕跡，說明擰緊結(jié)束時(shí)螺帽受力面與零件表面并非完全平行，而在擰緊過程中螺栓是完全垂直于發(fā)動(dòng)機(jī)支承面的，因此初步懷疑擰緊過程異常，使得發(fā)動(dòng)機(jī)支承面與懸臂的下表面不平行，懸臂右側(cè)與發(fā)動(dòng)機(jī)支承面未完全貼合，使得擰緊過程中懸臂受到異常彎矩。該處的操作卡要求3個(gè)螺栓的預(yù)緊扭矩均為5 N·m，最終擰緊扭矩為25 N·m。觀察生產(chǎn)線操作者實(shí)際擰緊順序，一般預(yù)緊順序?yàn)?#、3#、2#，最終擰緊順序也是如此，但操作卡對螺栓擰緊順序并無明確規(guī)定。

圖2 螺栓擰緊刮擦痕跡

如圖3所示，通過目視觀察斷口發(fā)現(xiàn)，零件斷裂前沒有明顯的塑性變形，無明顯的疲勞回紋并且整個(gè)斷口較平坦。通過斷口形貌并結(jié)合懸置的安裝受力情況可以判斷出裂紋擴(kuò)展方向?yàn)辄c(diǎn)1至點(diǎn)2擴(kuò)展；1點(diǎn)初始斷裂區(qū)呈粗結(jié)晶狀，往2點(diǎn)纖維條狀延伸。圖2中的1點(diǎn)部位下方為加強(qiáng)筋并且此處邊緣圓弧過渡自然，可以確定該區(qū)域不存在轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中。斷口截面右上角有擰緊結(jié)束時(shí)操作者標(biāo)記的油筆印，表明在3#螺栓擰緊過程結(jié)束后進(jìn)行油筆標(biāo)記時(shí)裂紋已經(jīng)產(chǎn)生，結(jié)合圖2的螺栓擰緊痕跡可進(jìn)一步印證擰緊過程中懸置斷裂處受力異常。

圖3 斷口的宏觀形貌

化學(xué)成分分析

在斷裂懸臂上取樣，采用直讀光譜法對零件的化學(xué)成分進(jìn)行分析，并與標(biāo)準(zhǔn)EN 1706中的元素含量要求進(jìn)行對比。在合金的幾種主要化學(xué)元素中，硅主要保證合金的流動(dòng)性，減少疏松；銅與鋁生成CuAl2可以使α固溶體變形以提高合金的熱強(qiáng)性；錳和鎂主要起固溶強(qiáng)化作用[9]。檢測結(jié)果說明斷裂件的各元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍內(nèi)，如表1所示。

表1 斷裂懸臂的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

力學(xué)性能測試

◆ 拉伸性能測試

按照GB/T 228的要求，在斷裂懸臂取樣制作3個(gè)拉伸樣棒進(jìn)行材料拉伸測試。制備的樣棒直徑d=5.0 mm，標(biāo)距L0=25.0 mm，將3根樣棒分別編號為1#、2#、3#。拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值如表2所示。3個(gè)拉伸樣棒的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

◆ 硬度測試

在懸置橫截面取樣，采用ZWICK通用硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度測試，測得其硬度為[89，83，83]HBW2.5/62.5，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN1706中材料硬度不低于70HBW的要求。

表2 失效懸置制取的3根樣棒的拉伸結(jié)果數(shù)值

綜合分析材料拉伸測試結(jié)果和硬度測試結(jié)果，斷裂懸臂的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)EN1706對材料強(qiáng)度的要求。

斷口微觀形貌

取斷口處零件經(jīng)超聲波清洗后，采用SEM觀察斷口微觀形貌。圖4為圖3中位置1斷口區(qū)域，為解理和準(zhǔn)解理形貌的過載斷口組織，這是一種在拉應(yīng)力作用下的脆性穿晶斷裂，屬于常見的脆性斷裂形貌[10]；隨著斷裂的延伸，遠(yuǎn)離起始區(qū)域的圖3位置2為韌性斷口組織，如圖5所示。從斷口微觀形貌上看，斷裂初始階段零件承受較大的應(yīng)力，零件受力開裂后裂紋迅速擴(kuò)展，斷口組織為解理和準(zhǔn)解理形貌的脆性形貌；隨著裂紋的擴(kuò)展，大部分應(yīng)力得到釋放，裂紋在較小的應(yīng)力下擴(kuò)展速度降低，使得斷口得以發(fā)生塑性形變，表現(xiàn)為塑性過載斷口[11]。

圖4 準(zhǔn)解理和解理形貌的過載斷口

圖5 韌性斷口組織

結(jié)合斷口宏觀形貌及微觀組織分析，在擰緊開始時(shí)懸臂下表面與發(fā)動(dòng)機(jī)支承面未貼合，使得懸臂受到一個(gè)向下的彎矩，隨著擰緊過程的進(jìn)行，施加在懸臂上的彎矩超過了懸臂的抗拉強(qiáng)度極限，導(dǎo)致懸臂過載斷裂。斷口上的油漆痕跡說明擰緊過程結(jié)束后，點(diǎn)漆之前，懸臂已經(jīng)開裂，這也從側(cè)面印證了懸臂是由于擰緊導(dǎo)致的斷裂。

金相組織

在斷口附近取樣磨制金相試樣，并與正常懸臂的金相組織進(jìn)行對比。如圖6和7所示，兩者金相組織基體均為α固溶體，并帶有節(jié)狀的硅化物析出和針狀共晶體[12-13]。析出相高倍組織如圖8所示，枝晶為初生α固溶體，共晶組織較均勻分布在α固溶體之間；斷口附近無明顯的縮孔、夾渣等鑄造缺陷，與SEM觀察結(jié)果一致。

圖6 失效件斷口區(qū)域的金相組織

圖7 正常零件的金相組織

圖8 析出相的高倍組織

孔隙率檢測

首先使用工業(yè)CT對斷裂零件整體進(jìn)行掃描，未發(fā)現(xiàn)其中有明顯的縮孔等鑄造缺陷，如圖9所示。在斷口附近取樣，鑲樣、研磨后使用金相法測量其孔隙率，測得的最大空隙為0.6 mm，符合圖紙要求的最大鑄造縮孔1.5 mm的要求，如圖10所示。

圖9 失效件CT掃描結(jié)果

分析與討論

失效原因分析

圖10 金相法測得的失效件孔隙率

(1) 從斷口的宏觀形貌上看，在擰緊結(jié)束時(shí)裂紋就已經(jīng)產(chǎn)生，并且結(jié)合懸臂通孔處的螺帽摩擦痕跡看，螺帽與懸臂上表面有非對稱的摩擦痕跡，并且目視觀察懸臂上表面平整，推斷擰緊過程中螺栓與懸臂并不完全垂直；而螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)支承面是完全垂直，進(jìn)而推得懸臂表面與發(fā)動(dòng)機(jī)支承面并不是完全平行的。因此，在擰緊時(shí)螺帽與懸臂偏磨會導(dǎo)致懸臂受到附加的彎矩；隨著擰緊過程的進(jìn)行，施加在懸臂上的彎矩超過了懸臂的抗拉強(qiáng)度極限；從懸臂的整體結(jié)構(gòu)來看，3#螺栓區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)懸臂最為薄弱的區(qū)域，過大的彎矩作用在整個(gè)懸臂上，裂紋必然會在3#附近起源，進(jìn)而懸臂整體發(fā)生過載斷裂。

(2) 1#、2#、3#螺栓并無明確的擰緊順序要求，由于螺栓通孔為橢圓形，操作者在擰緊過程時(shí)先擰緊1#、2#，可能會導(dǎo)致懸臂與發(fā)動(dòng)機(jī)支撐面產(chǎn)生間隙，再擰緊3#時(shí)，異常彎矩集中在相對薄弱的3#通孔懸臂附近，導(dǎo)致其斷裂。

(3) 懸置的材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和孔隙率均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；且通過SEM和金相顯微觀察，未發(fā)現(xiàn)斷裂位置有任何材料及組織缺陷，斷口初始區(qū)域?yàn)殍T造中典型的解理/準(zhǔn)解理斷裂組織，隨著斷口的擴(kuò)大應(yīng)力得到釋放，斷裂區(qū)域最終組織為塑性斷口。

失效原因驗(yàn)證

在模擬擰緊試驗(yàn)臺上，按照此處的工藝進(jìn)行預(yù)緊和最終擰緊。預(yù)擰緊參數(shù)為5 N·m，最終擰緊參數(shù)為40 N·m +90°。首先選擇1#、2#、3#順序進(jìn)行擰緊10次，發(fā)現(xiàn)螺栓通孔內(nèi)部和懸臂支承面有非對稱刮擦痕跡；然后選擇1#、3#、2#順序，發(fā)現(xiàn)非對稱刮擦痕跡明顯減輕。

修改此處的標(biāo)準(zhǔn)操作卡，增加螺栓預(yù)緊和擰緊順序?yàn)?#、3#、2#，確保操作者嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作卡順序進(jìn)行擰緊。連續(xù)執(zhí)行1月后，無新的懸臂斷裂情況出現(xiàn)。

攝影 高 龑

結(jié)束語

由于不合理的擰緊順序?qū)е聭冶巯卤砻媾c發(fā)動(dòng)機(jī)支承面不平行，使得懸臂受到異常彎矩導(dǎo)致其斷裂。排查現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，確保標(biāo)準(zhǔn)操作卡完全正確且步驟清晰，并且操作者按照標(biāo)準(zhǔn)工藝卡進(jìn)行操作。對重點(diǎn)擰緊工序進(jìn)行結(jié)果自檢和復(fù)檢，防止失效件流出造成更大的返修成本。