某车型副车架材料的断裂失效分析

崔恩有，孟宪明，吴 昊

(1.中国汽车技术研究中心 宁波汽车零部件检测中心，浙江 宁波 315000；2.中国汽车技术研究中心 汽车工程研究院，天津 300300)

汽车副车架是汽车上非常重要的结构件, 为满足不同车型的要求或提高副车架性能, 新产品不断被开发。铸造与焊接工艺在汽车零部件的制造过程中运用广泛，铸造的质量将直接影响到零部件的疲劳寿命与失效模式。而试验品正确的失效分析将有利于新型产品的开发与更好的应用[1-5]。

1 失效情况分析

某车型开发的副车架厚度为2 cm，选用铸造成型工艺。在道路试验中,在副车架铸铁件上出现了萌生断裂的裂纹(见图1)；同时在表层出现了明显的裂口。由图1可见，裂纹长度从外沿几乎到达底部；试块表面覆盖红色底漆和黑色面漆，部分黑色面漆脱落；在试块外沿面，部分漆脱落并有明显锈迹。基于以上宏观断裂特性，对试块开展断口分析、球化石墨等级检验和硬度检验。

图1 副车架裂纹产生实物图

1.1 球化等级与硬度检验

铸件的开裂与其中石墨的形态及分布密切相关，本文采用金相分析方法对球化等级与硬度进行检验。对上述副车架上的球化铸铁进行取样、打磨与抛光处理，在金相显微镜下随机选取4个视场的照片，以观察球墨的等级分类，其典型照片如图2所示。由图2可以看出，石墨由球状和不规则颗粒状态组成，根据GB/T 9441—2009可知，其球化的等级为2～3级；另外，在铸铁金相分析的组织中未发现明显的气孔，组织较为致密。因此，初步推断断裂的产生不是由内部组织气孔和球墨的不均匀性导致的。

图2 球化石墨形貌图

取断口附近的试样作为布氏硬度的分析样片，布氏硬度的分析结果见表1。结合球墨分级的分析结果可以看出，硬度差距不大，组织均匀性很好，因此推断断裂的原因不是由内部组织缺陷或组织不均匀性导致的。

表1 布氏硬度检验

1.2 裂纹与断口分析

1.2.1 清洗后断口裂纹金相检验

在副车架裂纹处取出一试块进行宏观检验发现，裂纹长度约为55 mm。将试样最底部切除，并打磨开裂表面，用金相观察裂纹扩展方式，结果如图3所示。从图3可以看出，裂纹从外表面产生, 箭头所指为裂纹源, 在零件受力过程中裂纹向内部呈放射状扩展。断裂过程是由裂纹源引起裂纹, 随后进一步扩展, 到达一定程度后, 零件在受力过程中被快速撕裂, 导致完全断裂。另外，根据裂纹尖端金相照片可知，该材料由球状石墨和铁素体组成，低倍放大表明，裂纹扩展过程中穿过了球状石墨；高倍放大表明，其开裂方式为穿晶开裂。

图3 送检样品裂纹尖端金相照片

1.2.2 清洗后断口形貌SEM分析

将清洗后的2块断口试块小心拼合，观察外沿宏观特征(见图4)。由图4可以看出，在外沿中部的裂纹处发现有坑；而外沿的倒角处没有明显的缺陷。清洗后断口呈现灰色、略显红色，在外沿一端凹凸不平，靠近外沿的表面还有较小的凹坑。

图4 清洗后断口宏观照片

选取图4中的A和B等2个区域观察断口形貌，清洗后图4中断口A区的扫描电镜和能谱检测结果如图5所示，在低倍放大下可发现，2个从外沿表面到基体内部的凹坑，其尺寸为400～800 μm；在凹坑底部和侧面还有二次裂纹。对图5a中一个凹坑底部的二次裂纹放大可知，二次裂纹中还含有氧化物，如图5b中箭头所指区域和能谱结果所示；而没有二次裂纹的能谱检测结果表明，经清洗后仅测出铁元素。从裂纹的相貌可以看出，裂纹扩展较快。在靠近A区域,断口呈明显的韧窝状,是撕裂的断口特征,属于瞬断区。断裂过程是由裂纹源引起裂纹,随后进一步扩展,到达一定程度后,零件在受力过程中被快速撕裂。

图5 图4中A区形貌扫描电镜和能谱

对图4中断口选区B的扫描电镜分析结果如图6所示。其中，黑色为球状石墨，灰色为铁素体区，在铁素体区还能发现韧窝和撕裂的痕迹，表明断口呈现韧性开裂特征，从而可以推断出，裂纹扩展区由石墨和带后韧窝及撕裂痕迹的铁素体组成。

图6 图4中B区扫描照片

2 结语

通过对副车架材料的宏观断口、组织、断口形貌与硬度的综合分析,得出如下结论:该车型副车架的显微组织为球化等级为2～3级，硬度为142 HBW的球墨+铁素体组织结构，宏观裂纹长约为55 mm，裂尖扩展方式为穿晶断裂；断口形貌扫描电镜和能谱分析表明，在外沿中部的损伤处有凹坑，在凹坑底部和侧部还有二次裂纹；裂纹扩展区由石墨和带后韧窝及撕裂痕迹的铁素体组成；副车架的开裂起始于外沿中部的损伤凹坑处，然后在局部应力和腐蚀环境作用下发生扩展；而裂纹的起源与外力冲击下的损伤有直接关系。

[1] 胡世炎.机械失效分析手册[M].成都: 四川科学技术出版社，1989.

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