鋁合金左懸置支架斷裂失效分析

秦興祖，張 雯，蒯 振，周仁宇

Qin Xingzu，Zhang Wen，Kuai Zhen，Zhou Renyu

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

0 引 言

懸置系統(tǒng)作為汽車動(dòng)力總成的重要組成部分，具有彈性支撐動(dòng)力總成、隔離動(dòng)力總成對車身和懸架的擾動(dòng)、控制動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)以滿足駕駛室隔振要求等功能[1-3]。隨著汽車輕量化設(shè)計(jì)和應(yīng)用的發(fā)展，懸置支架的設(shè)計(jì)用材從鈑金和球墨鑄鐵變得更加多元，重力鑄造鋁合金和壓鑄鋁合金、半固態(tài)壓鑄鋁合金以及非金屬材料均得到應(yīng)用[4-6]。

某款車型的左懸置支架在壞路試驗(yàn)過程中出現(xiàn)斷裂失效問題，其材料牌號為A380，材料標(biāo)準(zhǔn)見ASTM B85/B85M[7]。為明確斷裂失效原因，使用直讀光譜儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀、金相顯微鏡和布氏硬度計(jì)對斷裂的左懸置支架進(jìn)行斷口形貌、金相組織、化學(xué)成分、布氏硬度等試驗(yàn)分析。

1 外觀檢驗(yàn)

斷裂的左懸置支架零件照片如圖1（a）所示，斷裂發(fā)生在頸部位置，主斷面外觀形貌如圖1（b）所示，部分區(qū)域存在磨損現(xiàn)象。外觀檢驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，橡膠以及零件其他部位也存在磨損現(xiàn)象。根據(jù)磨損痕跡以及橡膠磨損區(qū)域表面分布的鋁屑推斷，磨損是由零件斷裂之后的相互錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致。

圖1 斷裂的左懸置支架

使用體式顯微鏡對主斷面進(jìn)行宏觀形貌檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在距離零件表面較近的位置，存在一塊邊界比較清晰的圓形區(qū)域，如圖2 所示，金屬零件斷裂無論是疲勞還是過載，均不會在斷面上產(chǎn)生此種現(xiàn)象，此為非正常現(xiàn)象，在后續(xù)斷口SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）和EDS（Energy Dispersive Spectroscopy，能譜儀）檢驗(yàn)中會重點(diǎn)關(guān)注。

圖2 主斷面體式顯微鏡形貌

2 斷口檢驗(yàn)

斷口宏觀照片如圖3（a）所示，通過掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行微觀形貌檢驗(yàn)，將斷口分為3個(gè)典型區(qū)域，A、B、C 區(qū)域分別對應(yīng)裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和過載瞬斷區(qū)，圖中標(biāo)線為疲勞擴(kuò)展區(qū)與過載瞬斷區(qū)的分界線。

圖3 失效件斷口SEM 和EDS 檢驗(yàn)

裂紋源區(qū)即為外觀檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象位置，其微觀SEM 形貌如圖3（b）所示，整個(gè)區(qū)域沒有斷裂造成的斷口形貌特征。為確認(rèn)裂紋源的產(chǎn)生原因，對其進(jìn)行EDS 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示該區(qū)域除含有正常的Al、Si、Cu、Fe 元素之外，還存在較多Ca、C、O 元素雜質(zhì)，如圖3（c）所示。由此，根據(jù)SEM 和EDS 檢驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)，該裂紋源是鑄造過程中產(chǎn)生的夾雜物缺陷。

疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀SEM 形貌如圖3（d）所示，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為帶有褶皺的粗糙表面，這是零件在壞路試驗(yàn)過程中受交變載荷作用裂紋擴(kuò)展形成的一種斷口特征。

過載瞬斷區(qū)的微觀SEM 形貌如圖3（e）所示，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為光滑表面的準(zhǔn)解理形貌，這是零件在壞路試驗(yàn)過程中疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度不能承受試驗(yàn)過程中載荷而發(fā)生瞬時(shí)過載斷裂形成的一種斷口特征。

在疲勞擴(kuò)展區(qū)和過載瞬斷區(qū)的斷口表面均可發(fā)現(xiàn)縮孔存在，其微觀SEM 形貌表現(xiàn)為存在大量光滑表面的球形形貌，如圖3（f）所示，這是由鑄造過程中液體補(bǔ)縮不足形成縮孔導(dǎo)致。

3 金相組織檢驗(yàn)

沿垂直于斷面方向取樣進(jìn)行金相制樣，打磨拋光后使用0.5%氫氟酸溶液進(jìn)行浸蝕，斷面位置的金相組織和心部的金相組織照片如圖4 所示。金相組織為α 鋁+（α 鋁+硅）共晶+初晶硅，這是正常的鑄造鋁合金組織。金相檢驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)斷面位置及心部位置均存在縮孔，這與斷口SEM 檢驗(yàn)結(jié)果相同。

圖4 失效件金相組織

4 化學(xué)成分和硬度檢驗(yàn)

使用直讀光譜儀對斷裂的左懸置支架進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見表1，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合設(shè)計(jì)材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

使用布氏硬度計(jì)對斷裂的左懸置支架進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為90.7 HBW2.5/62.5，符合設(shè)計(jì)材料標(biāo)準(zhǔn)要求（≥85 HB）。

5 結(jié) 論

針對某款車型路試過程中鋁合金左懸置支架斷裂問題，通過對問題部件進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、斷口形貌檢驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)、化學(xué)成分和硬度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分、布氏硬度和金相組織的檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和過載瞬斷區(qū)，具有典型的疲勞斷裂特征，裂紋源為鑄造過程中產(chǎn)生的夾雜物缺陷，試驗(yàn)過程中以此為裂紋源發(fā)生疲勞開裂并擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展至零件剩余截面，當(dāng)不能承受試驗(yàn)過程中的載荷時(shí)發(fā)生了瞬時(shí)過載斷裂。

建議對鋁合金左懸置支架的鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)，對可能引入夾雜物的步驟進(jìn)行排查優(yōu)化，包括檢測鋁液清潔度、探查澆注濾網(wǎng)是否有缺陷等；此外針對夾雜物、縮孔等鑄造缺陷，引入工業(yè)CT（Industrial Computerized Tomography，工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)）檢驗(yàn)也是一項(xiàng)選擇。