橫向穩(wěn)定桿斷裂失效分析

李衛(wèi)紅，崔忠榮，王福平，馬秋，袁成逸

（浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315336）

引言

汽車橫向穩(wěn)定桿屬于汽車懸架系統(tǒng)內的輔助彈性元件，它的作用是在汽車轉彎或遇到阻力時產生抗傾側的阻力，提升行車過程中的平順性及舒適性[1]。橫向穩(wěn)定桿在工作過程中會受到扭轉、擠壓和剪切力作用，這就要求穩(wěn)定桿除了要有很高的彈性極限，還需要有很好的疲勞強度[2-4]。因此各主機廠會選擇彈簧鋼作為穩(wěn)定桿原材料，同時也會要求零件滿足疲勞行程 10萬次，且無塑性應變的設計要求。

1 失效情況與分析方法

某車型前穩(wěn)定桿材料為彈簧鋼60Si2CrVA，設定的工藝過程為落料-端頭加工-加熱成形-淬火-回火-精整-噴丸-噴涂-標識。在疲勞臺架實驗中完成95 %時突然發(fā)生斷裂，斷裂位置在穩(wěn)定桿彎折處，如圖1所示。為分析該前穩(wěn)定桿斷裂失效原因，對失效零部件開展了斷口、化學成分、硬度、金相等方面的試驗分析。

圖1 穩(wěn)定桿彎折處斷裂

2 試驗分析過程

2.1斷口分析

2.1.1宏觀斷口分析

斷裂的穩(wěn)定桿宏觀形貌如圖2所示，斷口有較大起伏，呈現(xiàn)為疲勞特征，圖2（a）中分隔線將斷口分成三部分，疲勞源、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)。疲勞源區(qū)為光潔扇形區(qū)域，疲勞起源于彎拐處內側表面；疲勞擴展區(qū)呈現(xiàn)以疲勞源為中心，向四周輻射快速放射狀條紋或臺階形貌；快速斷裂區(qū)靠近零件表面的地方有一層平滑區(qū)域。裂紋萌生和擴展是疲勞斷裂的主要過程[5]。

圖2 穩(wěn)定桿宏觀斷口區(qū)域

2.1.2微觀斷口

斷口的疲勞源區(qū)、擴展區(qū)微觀形貌分別如圖3、圖4所示。疲勞源扇形區(qū)域呈光潔細晶狀,且存在明顯細密的疲勞貝紋線，為高周低應力疲勞特征形貌；從疲勞源區(qū)起始的疲勞擴展區(qū)依次呈沿晶、解理+韌窩形貌，為疲勞快速擴展斷裂或脆性斷裂特征。

圖3 疲勞源區(qū)微觀形貌

圖4 擴展區(qū)微觀形貌

2.2化學分析

對橫向穩(wěn)定桿截取試樣進行化學成分分析，結果如表1 所示，60Si2CrVA的化學成分符合GB /T 1222 要求。

表1 試樣的化學成分

2.3硬度分析

通過測試穩(wěn)定桿不同區(qū)域的性能判斷影響裂紋擴展的原因，選取垂直于橫截面失效處與非失效部位取樣，對試樣內側（疲勞源附近）、中部、外側硬度進行檢測，取樣位置如圖5所示。設計要求硬度在44～48 HRC之間，而實際測試值中，非斷裂部位基體的硬度值從內而外的結果分別是45 HRC、44.5 HRC、45.5 HRC，滿足設計要求。但是斷裂位置基體硬度從內側至外側分別為48.5 HRC、45.7 HRC、25.3 HRC，急劇下降，其中外側硬度已經不滿足設計要求。

圖5 試樣硬度測試

2.4金相分析

在試樣斷裂處附件切縱剖面試樣鑲嵌后進行金相分析，疲勞源區(qū)表面脫碳嚴重，白色鐵素體部分為完全脫碳區(qū)，如圖6（a）所示，且脫碳層表面存在多條裂紋，最短裂紋長度約95 um。脫碳會顯著降低穩(wěn)定桿性能，導致早期疲勞起源。從內側（疲勞源區(qū)）向外側金相組織圖片分別見圖6（b）（c）（d）所示，近疲勞源區(qū)金相組織為極細粒狀滲碳體和針狀鐵素體組成的回火屈氏體組織。疲勞源區(qū)往外的中部及外側金相組織為異常調質組織，中部位置的組織均為鐵素體+屈氏體，外側組織為鐵素體+珠光體組織，金相組織分布與硬度檢測結果一致，從內側至外側急劇下降。穩(wěn)定桿為整體熱處理，對于同一截面硬度大幅度變化情況，考慮熱處理工藝不均勻導致。

圖6 金相組織

3 討論與驗證

3.1分析與討論

前穩(wěn)定桿斷裂為疲勞斷裂，斷裂起始于彎拐處內側表面，此處臨近襯套安裝位置，也是穩(wěn)定桿最大應力分布位置[6]。疲勞裂紋首先產生在應力集中或缺陷位置，從金相圖6中看穩(wěn)定桿內側表面脫碳層嚴重在交變應力的作用下極易產生裂紋，加上組織的不均勻，加速了裂紋的快速擴展。

穩(wěn)定桿的脫碳受原材料以及熱處理工藝等諸多因素影響，裂紋的產生也受熱處理工藝的影響，淬火時表層不同部位線膨脹系數(shù)不同同樣會使零件表面脫碳層產生微裂紋[7]，因此穩(wěn)定桿的熱處理工藝尤為重要。穩(wěn)定桿的熱處理方式主要是用淬火+回火工藝，淬火加熱溫度（880~930）℃，然后進行油淬，最后進行（430±10）℃中溫回火。在調查現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)淬火工藝手動操作，以及油淬前入油溫度沒有進行及時監(jiān)控，進而造成穩(wěn)定桿脫碳層以及組織不穩(wěn)定。另外淬火液未設計循環(huán)系統(tǒng)，淬火液會隨著穩(wěn)定桿數(shù)量的增加，冷卻能力下降。

綜上所述，為改善穩(wěn)定桿的質量，需要改善穩(wěn)定桿的熱處理工藝，首先淬火工藝要保證零部件全部淬透，零部件中頻淬火溫度設定為910 ℃；采用自動淬火裝置進行，在線監(jiān)測溫度，使穩(wěn)定桿的入油溫度不得低于740 ℃，阻止油淬前發(fā)生珠光體的轉變；定期檢測淬火油的冷卻能力，淬火油溫在（25~70）℃。其次，回火溫度均勻，回火設定溫度（430±10）℃且保溫70 min，工件加熱的過程中要避免相互緊貼和擠壓。最后，增加原材料脫碳層的檢驗以及零部件表面質量檢查，識別故障件，避免流出。

3.2改善與驗證

改善后樣件在相同位置進行抽檢檢驗如圖7所示，穩(wěn)定桿表面為半脫碳層，無全脫碳， 金相組織為回火屈氏體+少量鐵素體，從內向外側測量硬度分別平均為46.1 HRC、45.8 HRC、46.3 HRC，未發(fā)現(xiàn)硬度軟點及異常組織，滿足設計要求。

圖7 改善后驗證金相組織

4 結論

1）穩(wěn)定桿斷裂為疲勞斷裂，導致穩(wěn)定桿疲勞斷裂的直接原因是彎拐處內側表面存在嚴重脫碳層組織及裂紋。

2）穩(wěn)定桿材料硬度從內側（疲勞源區(qū)）、中部至外側急劇下降，即穩(wěn)定桿內部組織不均勻導致疲勞快速擴展斷裂。

3）建議調整熱處理工藝，確保淬火工藝中將零部件淬透，避免軟點；增加原材料及零部件檢測，不得存在裂紋及脫碳等缺陷，識別故障件，避免流出。