40Cr鋼汽車轉(zhuǎn)向彎臂斷裂原因

歐雪雁

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司, 合肥 230022)

轉(zhuǎn)向彎臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要安全零件，在前進(jìn)、倒車時(shí)具有左右轉(zhuǎn)向的功能，其服役時(shí)承受轉(zhuǎn)向器輸出軸、轉(zhuǎn)向搖臂、直拉桿及球銷傳遞的拉、壓、彎曲循環(huán)應(yīng)力。某型號(hào)的轉(zhuǎn)向彎臂材料為40Cr鋼，生產(chǎn)工藝流程主要有熱鍛成形、調(diào)質(zhì)處理、機(jī)加工、錐部及臺(tái)階高頻感應(yīng)淬火等。該型轉(zhuǎn)向彎臂在服役約1 a(年)后陸續(xù)發(fā)生兩起轉(zhuǎn)向彎臂軸頸處的早期斷裂故障，故障里程分別為59 434，45 450 km。為找到轉(zhuǎn)向彎臂的斷裂原因，筆者對(duì)其中一個(gè)斷裂彎臂進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

轉(zhuǎn)向彎臂(簡(jiǎn)稱彎臂)的工藝結(jié)構(gòu)和斷裂位置見圖1，可見圖紙要求斷裂處結(jié)構(gòu)為大端直徑φ38 mm、錐度1…10的錐柄，錐柄及臺(tái)階32～38 mm范圍內(nèi)感應(yīng)淬火硬化層深度為3～5 mm。裝配工藝為錐柄與左轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔過盈裝配，止動(dòng)臺(tái)階與左轉(zhuǎn)向節(jié)平面相抵防止旋轉(zhuǎn)，彎臂外側(cè)用螺母固定防止松動(dòng)。彎臂軸頸處斷口宏觀形貌如圖2所示，可見斷裂起始于左轉(zhuǎn)向節(jié)裝配錐孔外臺(tái)階與錐柄過渡圓角R角內(nèi)、外側(cè)1 mm的錐柄大端上，為垂直于彎臂軸線的正向斷裂。斷裂錐柄呈感應(yīng)加熱的青藍(lán)色，斷口附近外表面4 mm范圍內(nèi)呈金屬本色，無異常損傷；斷口整體呈雙向彎曲疲勞斷裂特征[1]，將斷口分為A，B，C，D，E 5個(gè)區(qū)域，A，E區(qū)域?yàn)槠诹鸭y源區(qū)，呈深鐵銹色，A，E區(qū)域的中心點(diǎn)分別為彎臂彎型的內(nèi)、外側(cè)，受到循環(huán)往復(fù)應(yīng)力時(shí)首先形成裂紋源；B，D區(qū)域?yàn)閺澢诹鸭y擴(kuò)展區(qū)，呈淺鐵銹色，B區(qū)域疲勞輝紋肉眼可見；中間的C區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，呈金屬淺灰色，面積占總斷口的1/3。因左右轉(zhuǎn)向受力大小不同，A，B區(qū)域的面積略大于E，D區(qū)域的，斷口未見明顯缺陷。

圖1 彎臂的工藝結(jié)構(gòu)和斷裂位置示意圖

圖2 斷裂彎臂斷口宏觀形貌

1.2 微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖3。圖3a)，b)分別為A，E區(qū)域SEM低倍形貌，可見A，E區(qū)域?yàn)殡p向裂紋源區(qū)，疲勞弧線的圓心在斷口中間，且A，E區(qū)域邊緣低倍下均可見車削加工刀痕，未見夾雜物缺陷；圖3c)是A區(qū)域SEM高倍形貌，呈沿加工刀痕面向內(nèi)擴(kuò)展的微孔聚集型韌性斷裂形貌；B，D區(qū)域斷裂特征相似，為裂紋擴(kuò)展區(qū)，呈解理斷裂和斷續(xù)圓弧狀的二次裂紋形貌，B區(qū)域的SEM低倍形貌見圖3d)；圖3e)為C區(qū)域SEM高倍形貌，可見C區(qū)域?yàn)榻饫怼㈨g窩混合斷裂特征形貌，為瞬斷區(qū)[2]。

圖3 斷裂彎臂斷口SEM形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在斷裂彎臂上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。由表1可見，彎臂的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr鋼的技術(shù)要求。

表1 彎臂化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 硬度測(cè)試

在斷裂彎臂軸頸處切割試樣進(jìn)行硬化層硬度測(cè)試[3]，結(jié)果見表2。由表2可見，基體調(diào)質(zhì)后的布氏硬度和彎臂錐柄處、軸頸凸臺(tái)處感應(yīng)淬火的洛氏硬度均滿足技術(shù)要求, 但是R角處硬度為原調(diào)質(zhì)組織硬度[3]，即此處無硬化層，不滿足技術(shù)要求。

表2 斷裂彎臂不同位置的硬度測(cè)試結(jié)果

1.5 金相檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》的技術(shù)要求對(duì)斷裂彎臂進(jìn)行基體調(diào)質(zhì)組織檢驗(yàn)[4-5]，顯微組織為回火索氏體2級(jí)，見圖4，滿足標(biāo)準(zhǔn)1～4級(jí)的要求。依據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定法》的技術(shù)要求，抽樣檢查彎臂原材料40Cr鋼的原始晶粒度，形貌如圖5，測(cè)得晶粒度為6級(jí)，符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼原始晶粒度大于5級(jí)的要求。

圖4 斷裂彎臂基體的顯微組織形貌

圖5 40Cr鋼的原始晶粒形貌

依據(jù)QC/T 502-2009《汽車感應(yīng)淬火零件金相檢驗(yàn)》的技術(shù)要求，在彎臂R角內(nèi)側(cè)切取試樣并進(jìn)行表面硬化層深度和馬氏體等級(jí)檢驗(yàn)[6]，硬化層檢驗(yàn)位置及顯微組織形貌見圖6，硬化層深度和馬氏體等級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果見表3，可見錐柄處表面馬氏體等級(jí)為2級(jí)粗大馬氏體，錐柄處硬化層中已形成沿馬氏體晶界擴(kuò)展的裂紋，裂紋起源于錐柄R角機(jī)加工刀痕處表面。

圖6 斷裂彎臂硬化層檢驗(yàn)位置及顯微組織形貌

表3 斷裂彎臂硬化層深度和表面馬氏體等級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果

1.6 受力分析

使用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型軟件對(duì)彎臂進(jìn)行受力分析，應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)殄F柄彎型R角內(nèi)側(cè)、外側(cè)和彎型“魚鉤狀”內(nèi)側(cè)，如圖7中灰色區(qū)域。

圖7 彎臂服役時(shí)的受力分布示意圖

1.7 強(qiáng)度校核

經(jīng)力學(xué)模型計(jì)算、強(qiáng)度校核可知，該型彎臂的安全系數(shù)為1.67，安全系數(shù)滿足《汽車設(shè)計(jì)》[7]1.5～2.5的要求。

2 分析與討論

斷裂彎臂斷裂位置位于軸頸大端R角處。從以上檢驗(yàn)可知，彎臂40Cr鋼材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，原始晶粒無粗大現(xiàn)象，調(diào)質(zhì)硬度、顯微組織均滿足要求，排除了原材料和調(diào)質(zhì)質(zhì)量的原因。由宏觀分析可知，斷裂的錐柄呈感應(yīng)加熱的青藍(lán)色，斷口附近呈金屬本色，說明R角未能有效感應(yīng)淬火[8]。由微觀分析可知，斷口整體呈雙向彎曲疲勞斷裂特征，裂紋源均呈韌性斷裂特征[9]，裂紋源區(qū)位于R角處，未見沿晶斷裂特征形貌。由硬化層深度和馬氏體等級(jí)檢驗(yàn)可知，R角處無硬化層，錐柄和臺(tái)階處馬氏體為粗大的2級(jí)馬氏體，分析是感應(yīng)淬火熱處理工藝不當(dāng)造成的，因臺(tái)階處馬氏體粗大對(duì)彎臂影響不大，雖然在錐柄處發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋，但沒有成為最終斷裂的裂紋源，說明此處抗彎曲強(qiáng)度大于未淬火R角處基體的。彎臂斷裂位置為左轉(zhuǎn)向節(jié)裝配錐孔外R角內(nèi)、外側(cè)1 mm處錐柄大端，正向斷裂，斷裂位置和CAE分析顯示的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)一致，應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)殄F柄彎型R角內(nèi)側(cè)、外側(cè)和彎型“魚鉤狀”彎型內(nèi)側(cè)，此處相當(dāng)于一個(gè)變形的懸臂梁根部，懸臂梁的力臂越大，轉(zhuǎn)向時(shí)彎曲應(yīng)力越容易在R角應(yīng)力集中區(qū)域萌生裂紋。彎臂服役時(shí)，彎曲疲勞抗力不均衡，疲勞強(qiáng)度不足，即表面層截面變化的過渡區(qū)未淬火，R角表面熱處理強(qiáng)化作用不足，導(dǎo)致錐柄薄弱處先產(chǎn)生裂紋源，直至發(fā)生疲勞斷裂，這是該彎臂發(fā)生早期斷裂的根本原因。據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，高頻感應(yīng)淬火可有效地提高零件的彎曲及扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，通常小型零件可提高2～3倍，而大型零件可提高20%～30%。這主要是由于表面淬硬層中馬氏體的比體積比內(nèi)部原始組織的大，使零件表層形成很大的殘余壓應(yīng)力[10]，該文中零件屬于中小型零件。在表面硬化層不能有效淬硬的情況下，表面機(jī)加工刀痕成為斷裂的次要因素，感應(yīng)淬火試樣的疲勞強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)試樣的高，對(duì)于缺口試樣感應(yīng)淬火幾乎可完全消除缺口對(duì)疲勞壽命的不利影響[11]。此外，轉(zhuǎn)向彎臂的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.67，滿足《汽車設(shè)計(jì)》安全系數(shù)為1.5～2.5的要求，可排除設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足因素。

3 結(jié)論及建議

(1)轉(zhuǎn)向彎臂的斷裂形式為雙向彎曲疲勞斷裂。

(2)轉(zhuǎn)向彎臂斷裂的根本原因是在彎臂R角表面存在機(jī)加工刀痕，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，且感應(yīng)淬火表面熱處理強(qiáng)化作用不足，使截面變化的過渡區(qū)R角處未能有效淬火而存在殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋在此處萌生，服役時(shí)，在轉(zhuǎn)向循環(huán)應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞斷裂。

(3)建議調(diào)整感應(yīng)淬火工藝，以保證感應(yīng)淬火硬化層的均勻性和連續(xù)性。