汽車空心穩(wěn)定桿零件斷裂失效分析及整改

祁學(xué)軍 趙如意 馬海龍 陳嘉玥 王新坤

作者簡(jiǎn)介：祁學(xué)軍（1978—），男，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)榻饘俨牧霞拜p量化。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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QI X J， ZHAO R Y， MA H L et al. Analysis and Rectification of Fracture Failure of Hollow Stabilizer Bar Parts in Automobile[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 11-16.

摘要：通過(guò)激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡等設(shè)備對(duì)某一量產(chǎn)車路試中發(fā)生的34MnB5空心穩(wěn)定桿斷裂問(wèn)題進(jìn)行失效分析，確認(rèn)拋丸工藝時(shí)間不足及存在軸向原始裂紋是造成穩(wěn)定桿發(fā)生早期疲勞失效斷裂的原因，為進(jìn)一步明確失效斷裂的根本原因，針對(duì)穩(wěn)定桿的制造工藝進(jìn)行排查和原因分析，判斷拋丸時(shí)間不足是導(dǎo)致穩(wěn)定桿斷裂的主要原因，由此判斷該次斷裂失效帶來(lái)的后續(xù)影響，最后針對(duì)排查過(guò)程中已確認(rèn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，識(shí)別整改方向并提出優(yōu)化措施，進(jìn)一步防止問(wèn)題發(fā)生。

關(guān)鍵詞：空心穩(wěn)定桿 疲勞失效 拋丸 殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG156? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240116

Analysis and Rectification of Fracture Failure of Hollow Stabilizer Bar Parts in Automobile

Qi Xuejun1， Zhao Ruyi2， Ma Hailong1，Chen Jiayue1，Wang Xinkun1

（1. Lantu Automotive Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430051; 2. Da， an Automobile Testing Co.， Ltd.， Wuhan 430051）

Abstract： Failure analysis of the 34MnB5 hollow stabilizer bar fracture occurred in the road test of a mass production vehicle was carried out using laser confocal microscopy， scanning electron microscope and other equipment. It was confirmed that the insufficient shot blasting process time and the existence of axial original cracks caused early fatigue failure and fracture of the stabilizer bar. In order to further clarify the root cause of the failure and fracture， this article investigated and analyzed the manufacturing process of the stabilizer bar， determined that the main cause for the fracture of the stabilizer bar was insufficient shot blasting time， thus evaluated the subsequent impact of this fracture failure accident. Finally， the article identified the direction of rectification for the risk points during the investigation process， and proposed optimization measures to further prevent the occurrence of such problems.

Key words： Hollow stabilizer bar， Fatigue failure， Blasting， Residual stress

1 前言

穩(wěn)定桿廣泛應(yīng)用于獨(dú)立懸架，其功能是防止汽車在轉(zhuǎn)彎或兩側(cè)車輪承受不同大小載荷時(shí)發(fā)生過(guò)大的橫向側(cè)傾，是保持汽車平衡的懸架系統(tǒng)關(guān)鍵零件[1]。近年來(lái)，空心穩(wěn)定桿在整車中的使用越來(lái)越普遍[2]。

某一量產(chǎn)車路試時(shí)橫向空心穩(wěn)定桿左側(cè)襯套附近彎折處發(fā)生斷裂失效，失效里程為13 000 km。該空心穩(wěn)定桿材料為34MnB5，采用高頻焊接焊管制造而成，公稱壁厚為6 mm，制造工藝流程為端頭成形1+端頭成形2+去毛刺+冷彎+局部成形+淬火+拋丸1+回火+拋丸2+校正+涂裝+噴碼+硫化貼標(biāo)簽+成品包裝；其中淬火+回火后熱處理硬度要求為43～50 HRC，兩端端頭進(jìn)行加熱鍛壓封閉，穩(wěn)定桿零件表面不允許全脫碳，半脫碳層深度要求≤200 μm、抗拉強(qiáng)度≥1 500 MPa、屈服強(qiáng)度≥1 200 MPa、延伸率≥5%[3]。有限元應(yīng)力分析結(jié)果顯示，使用經(jīng)過(guò)淬火及中溫回火處理后34MnB5材料性能可滿足各工況下穩(wěn)定桿承受的應(yīng)力，初步懷疑穩(wěn)定桿斷裂是由于其存在質(zhì)量缺陷導(dǎo)致。通過(guò)檢測(cè)分析及對(duì)影響穩(wěn)定桿質(zhì)量的各關(guān)鍵要素排查后找出穩(wěn)定桿斷裂失效的原因，并提出改進(jìn)措施。

2 理化分析

2.1 材料分析

空心前橫向穩(wěn)定桿斷裂實(shí)物失效件如圖1所示，橫向斷裂位置發(fā)生在靠近襯套的大彎處斷裂，管內(nèi)壁、斷口及裂紋處均有銹蝕，橫向斷口約3/4長(zhǎng)度存在銹蝕，約1/4長(zhǎng)度斷口未銹蝕，為終斷區(qū)；穩(wěn)定桿襯套處存在一條軸向裂紋與斷口連接，沿穩(wěn)定桿徑向穿過(guò)襯套。

考慮到軸向裂紋較長(zhǎng)，先從來(lái)樣上切割下斷口，對(duì)斷口進(jìn)行宏觀和掃描電鏡微觀觀察；同步在軸向裂紋收尾處，切割取樣進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)；斷口、金相、硬度、化學(xué)成分取樣位置如圖1b所示。

2.1.1 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀檢測(cè)零件化學(xué)成分，元素含量檢測(cè)結(jié)果如表1所示，表中標(biāo)注*的數(shù)值為含量低于GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》規(guī)定檢測(cè)范圍下限的數(shù)據(jù)。

2.1.2 硬度

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分： 試驗(yàn)方法》，采用維氏硬度計(jì)測(cè)試零件硬度，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2結(jié)果顯示，穩(wěn)定桿零件硬度值偏低，但滿足定義要求。

2.1.3 金相分析

零件心部金相圖片如圖3所示，零件外壁邊緣金相圖片如圖4所示，零件內(nèi)壁邊緣金相圖片如圖5所示。定義要求穩(wěn)定桿內(nèi)、外表面無(wú)全脫碳，半脫碳層深度≤200 μm，圖3結(jié)果表明，穩(wěn)定桿零件基體金相組織為正常淬火+回火組織。零件外壁、內(nèi)壁均無(wú)脫碳，金相分析結(jié)果滿足定義要求。

2.1.4 金相法確認(rèn)軸向裂紋是否與焊縫位置重合

橫向斷口附近截取軸向裂紋截面金相圖片如圖6、圖7所示，圖6中黃色箭頭所指的白亮帶即為高頻焊接焊縫位置，金相分析顯示大彎處焊縫位置在橫向斷口附近，軸向裂紋與焊縫之間的距離約3.2 mm，由于此處為橫向斷口附近冷彎成形，焊縫亦發(fā)生彎曲偏移，因此軸向裂紋與焊縫的位置出現(xiàn)一定偏移關(guān)系。

沿軸向裂紋中間直線段位置截取試樣，截面金相圖片如圖8、圖9所示，圖8黃色箭頭顯示白亮帶位置為高頻焊接焊縫處，圖9為焊縫處金相流線，金相分析顯示軸向裂紋與焊縫位置完全重合。

2.2 宏觀斷口

2.2.1 橫向斷口宏觀形貌分析

橫向斷口宏觀照片如圖10所示，橫向斷口約3/4區(qū)域位置發(fā)生銹蝕，a區(qū)域斷口形貌平坦光亮，呈貝弧線形狀，有二次臺(tái)階，表面銹蝕，宏觀斷口特征為疲勞擴(kuò)展形貌特征，疲勞起源于對(duì)應(yīng)外表面。b、c區(qū)域?yàn)楦叩推鸱饧範(fàn)钚蚊玻獗圻吘壘嬖诩羟腥?，b區(qū)斷口有銹蝕，c區(qū)無(wú)銹蝕，2區(qū)域均為瞬斷區(qū)形貌特征。

2.2.2 軸向斷口宏觀分析

拆除襯套，切割零件打開(kāi)貫穿裂紋，用ZEISS V20超景深顯微鏡對(duì)打開(kāi)后的裂紋進(jìn)行宏觀觀察并拍照?qǐng)D片見(jiàn)圖11所示，將長(zhǎng)裂紋斷口放大后如圖12所示，軸向斷口左側(cè)為近橫斷口側(cè)，斷面平齊，表面存在嚴(yán)重銹蝕，該斷口為銹蝕最嚴(yán)重區(qū)域，且表面被一層凝似黑色油漆覆蓋，說(shuō)明軸向斷口中存在原始裂紋，且裂紋起源于中部沿軸向兩端方向擴(kuò)展（圖12箭頭所指方向），斷口符合疲勞斷裂形貌特征，因腐蝕過(guò)于嚴(yán)重?zé)o法清洗，無(wú)法進(jìn)行掃描電鏡微觀分析。

2.3 微觀斷口

橫向斷口及斷口微觀圖片如圖13～圖14所示，分析顯示橫向斷口a區(qū)為疲勞源+擴(kuò)展區(qū)，疲勞起源于外表面，呈棘輪狀多源，疲勞源區(qū)無(wú)損傷，擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)疲勞輝紋形貌特征；由a區(qū)向b區(qū)、c區(qū)快速擴(kuò)展，b區(qū)呈現(xiàn)為準(zhǔn)解理快速撕裂形貌特征，c區(qū)為準(zhǔn)解理+韌窩混合形貌特征；e區(qū)呈現(xiàn)為瞬斷區(qū)韌窩特征形貌；軸向裂紋沿著橫斷口處向d區(qū)、c區(qū)擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向恰好與b區(qū)擴(kuò)展方向相反，d區(qū)為準(zhǔn)解理+韌窩混合形貌特征。

2.4 分析與結(jié)論

零件基材成分、硬度性能符合圖紙技術(shù)要求，金相組織均為正?；鼗瘃R氏體組織，內(nèi)外壁均無(wú)脫碳現(xiàn)象。

軸向斷口宏觀分析顯示零件存在原始裂紋，裂紋擴(kuò)展方向與穩(wěn)定桿焊縫位置重合，該原始軸向裂紋一端朝向橫斷口方向持續(xù)疲勞擴(kuò)展至與橫向斷口匯合后繼續(xù)向右擴(kuò)展；橫向斷口宏、微觀分析顯示穩(wěn)定桿襯套左側(cè)彎折外表面處存在一平坦有臺(tái)階的疲勞源區(qū)，呈棘輪狀多源，疲勞起源外表面無(wú)缺陷，該源區(qū)沿著外管壁向兩邊方向快速擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)區(qū)域較小，瞬斷區(qū)區(qū)域較大，可以判斷穩(wěn)定桿在使用過(guò)程中橫向彎折處受到了較大應(yīng)力，軸向裂紋與橫向裂紋相向擴(kuò)展導(dǎo)致最終斷裂。

綜上分析，零件焊縫存在的原始軸向裂紋及穩(wěn)定桿近襯套大彎處外表面疲勞源的雙向疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致穩(wěn)定桿斷裂失效。

3 工藝排查

需進(jìn)一步排查分析焊縫存在的原始軸向裂紋和穩(wěn)定桿襯套附近大彎處外表面疲勞源的雙向疲勞擴(kuò)展中導(dǎo)致穩(wěn)定桿斷裂失效的主因，以及大彎處疲勞源區(qū)外表面無(wú)缺陷仍然出現(xiàn)疲勞擴(kuò)展、穩(wěn)定桿零件硬度值偏低的原因，并提出有效整改措施。

拋丸可以強(qiáng)化零件表面，減小疲勞斷裂發(fā)生率，提高零件壽命。將高速?gòu)椡枇鲊娚涞椒€(wěn)定桿表面，使穩(wěn)定桿表層發(fā)生塑性變形，而形成一定厚度的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于穩(wěn)定桿表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)穩(wěn)定桿承受載荷時(shí)可以抵消一部分拉應(yīng)力，從而提高穩(wěn)定桿的疲勞強(qiáng)度[3]。

根據(jù)GB/T 7704—2017 《無(wú)損檢測(cè) Ｘ射線應(yīng)力測(cè)定方法》，采用LXRD X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)試穩(wěn)定桿失效件與完好件橫向斷口疲勞源區(qū)位置的Y向殘余應(yīng)力[4]，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，失效件疲勞源區(qū)殘余應(yīng)力不足正常件殘余應(yīng)力的1/2，從而使穩(wěn)定桿失效件在使用過(guò)程中承受很大的應(yīng)力而發(fā)生疲勞失效，此處殘余應(yīng)力過(guò)小是風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)一步展開(kāi)過(guò)程排查原因。

首先確認(rèn)失效件彎折處硬度與零件桿部直線處硬度相同，核查供應(yīng)商近15批次的零件生產(chǎn)檢測(cè)記錄，硬度值均在46.9 HRC以上，同時(shí)針對(duì)硬度計(jì)測(cè)量值，按照GB/T 230.2—2022 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第2部分：硬度計(jì)及壓頭的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊校準(zhǔn)，測(cè)試精度沒(méi)有問(wèn)題，因此可以排除正常生產(chǎn)的零件造成的硬度差異變化；進(jìn)一步確認(rèn)硬度偏低的原因，調(diào)查生產(chǎn)工藝確認(rèn)該前橫向穩(wěn)定桿正常的回火溫度是285 ℃，其硬度水平穩(wěn)定在47.0 HRC以上，而失效零件硬度分別為45.4 HRC、44.8 HRC及45.2 HRC，偏離正常生產(chǎn)記錄硬度約2 HRC，理論分析認(rèn)為提高回火溫度可以導(dǎo)致零件硬度偏低，因此懷疑該零件為異常返修件。

查核正常工藝流程與返工工藝流程表，確認(rèn)正?；鼗饻囟确秶鸀椋?85±10） ℃； 返工時(shí)回火溫度范圍為（350±10） ℃（因產(chǎn)品表面返工需要將回火溫度提高以促使涂層脫落）。

查返工工藝流程表要求需要進(jìn)行2次拋丸，每次拋丸時(shí)間4 min，返工工藝流程如圖15所示。

綜上分析，確定此次穩(wěn)定桿失效件為返工件。

根據(jù)該失效零件批次零件號(hào)及返修作業(yè)記錄確認(rèn)，該零件返工回火后未按照規(guī)定的拋丸時(shí)間執(zhí)行（拋丸時(shí)間短），從而使拋丸后產(chǎn)品殘余壓應(yīng)力低，這可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定桿產(chǎn)品在使用過(guò)程中發(fā)生早期疲勞斷裂。

依據(jù)零件分析排查實(shí)況設(shè)計(jì)模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，將模擬350 ℃回火的2件不同狀態(tài)穩(wěn)定桿零件按照行標(biāo)方法進(jìn)行疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4及圖16～圖17所示。

1#零件表面無(wú)缺陷，拋丸時(shí)間2 min，為正常拋丸時(shí)間的1/2，疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示8萬(wàn)多次出現(xiàn)開(kāi)裂，而2#零件表面有缺陷，拋丸時(shí)間4 min，疲勞試驗(yàn)結(jié)果卻達(dá)到30萬(wàn)次未斷裂，以上結(jié)果說(shuō)明此次穩(wěn)定桿斷裂根本原因?yàn)閽佂钑r(shí)間不足導(dǎo)致的殘余壓應(yīng)力低，從而使穩(wěn)定桿在使用過(guò)程中近襯套大彎處所受應(yīng)力過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生早期疲勞斷裂失效。

綜上所述，由于針對(duì)返修件工藝流程管理不完善，導(dǎo)致該穩(wěn)定桿零件在拋丸工藝中拋丸時(shí)間不足，致使穩(wěn)定桿在使用過(guò)程中襯套附近大彎處應(yīng)力過(guò)大，同時(shí)穩(wěn)定桿焊縫處軸向原始裂紋的疲勞擴(kuò)展同步進(jìn)行，最終導(dǎo)致該零件在13 000 km時(shí)發(fā)生早期疲勞斷裂失效，穩(wěn)定桿拋丸工藝不合理是造成斷裂的主要原因，軸向原始裂紋疲勞擴(kuò)展是輔因，可能會(huì)加速早期疲勞失效；通過(guò)以上結(jié)論判斷該次穩(wěn)定桿斷裂失效為可控風(fēng)險(xiǎn)案例，而非批次事故，針對(duì)排查過(guò)程中識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提出有效措施可以防止規(guī)避類似事故發(fā)生。

通過(guò)以上排查分析，梳理穩(wěn)定桿斷裂失效件已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)的工藝過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提出整改方向及有效永久措施，如表5所示。

[表5 整改方向及措施 工藝過(guò)程識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn) 整改方向 永久措施 回火工序?qū)е铝慵捕茸兓?取消返修的回火作業(yè)方式 通過(guò)設(shè)計(jì)拋丸機(jī)吊具，達(dá)到拋丸去除涂層目的，從而規(guī)避350 ℃回火 殘余應(yīng)力不足 鎖定返修拋丸道序作業(yè)方式 通過(guò)修改拋丸設(shè)備程序，對(duì)拋丸時(shí)間進(jìn)行下限鎖定，使拋丸時(shí)間在4 min以下無(wú)法調(diào)節(jié) 零件的原始缺陷 增加探傷作業(yè) 一級(jí)供應(yīng)商在工藝流程拋丸后增加一道表面探傷工藝，二級(jí)供應(yīng)商渦流探傷中探傷孔從1.0提高到0.8，增益增加2 dB 零件強(qiáng)化不足 優(yōu)化拋丸工藝參數(shù) 弧高由0.3～0.5 ARC提升至0.33～0.5 ARC[5] ]

4 結(jié)論

a.穩(wěn)定桿零件斷裂是近襯套大彎處與軸向原始裂紋雙疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致的早期疲勞失效斷裂。

b.導(dǎo)致穩(wěn)定桿疲勞早期失效斷裂的主要原因或根本原因是拋丸工藝不合格，使穩(wěn)定桿大彎處所受應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致早期疲勞失效斷裂。

c.該穩(wěn)定桿失效件是返修件，回火溫度較高，導(dǎo)致穩(wěn)定桿硬度偏低。

d.該穩(wěn)定桿斷裂失效屬于可控案例，非批量事故。

e.通過(guò)排查識(shí)別出產(chǎn)品制造工藝過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提出設(shè)計(jì)拋丸機(jī)吊具、鎖定拋丸時(shí)間下限、增加探傷作業(yè)及優(yōu)化拋丸工藝參數(shù)等永久固化措施。

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