乘用车左悬置连接支架的断裂失效分析*

□ 黄兆东 □ 何自璋 □ 李 楠

江铃控股有限公司 南昌 330052

1 研究背景

我国正在快速崛起的汽车产业，对有色金属、钢铁、橡胶、塑料、玻璃、涂料等原材料工业，铸、锻、机加工、热处理、焊、冲压、油漆、电镀、试验、检测等设备制造业，机械、电子、电器、化工、建材、轻工、纺织等配套产品和零部件，以及交通运输业、能源工业、服务业等方面有巨大需求，从而推动了这些产业的快速发展［1］。显然，汽车产业的振兴能带动诸多相关产业飞速发展，诸多相关产业的飞速发展又支撑着汽车产业的振兴。

对于乘用车而言，左悬置连接支架是发动机与车身的重要连接件，可支承、固定发动机，并减少发动机传递给车身的振动。

由于左悬置连接支架在汽车行驶过程中承受较大的正应力和切应力，容易发生断裂，因此其机械性能显得尤其重要［2-3］。

对于连接支架的材料而言，铝合金因质量轻、强度高、耐蚀性能好、加工性能好等优点被广泛应用于汽车行业，因此连接支架的材料选用铝合金。

一般而言，无论是什么样的材料，始终都会存在一定的缺陷，在这一点上铝及其合金也是不可避免的。大量实践表明，材料在使用过程中都会存在一些微小的缺陷，如疏松、孔洞等，从而导致材料强度、刚度等一些性能下降，甚至造成材料破坏而发生断裂现象。这些缺陷可能是材料本身固有的，也可能是在制造过程中加工造成的，亦或是在使用过程中由于疲劳而累积的损伤［4-7］，这些都表明零件材料本身内在质量的重要性，研究机械零件材质及其变化状况是一个很重要的基础性课题。

为了节省企业成本，同时给乘车人员提供乘用车行驰的安全保障，笔者以整车路试反馈的断裂支架为研究对象，在不考虑支架受力大小的情况下，将支架受力情况作为一个黑箱看待，仅仅考察支架材料本身及变化状况，对黑箱输出的故障件进行较为全面的分析，如断口宏观分析、断口微观分析、金相显微组织分析、材料化学成分分析、硬度性能测试及拉伸性能测试等。在理化试验的基础上，结合微观断口形貌和断裂机理，与黑箱输入的合格支架相比较，从而找出支架断裂失效的根本原因，并针对这些原因制订相应的技术改进措施。

2 试验对象

试验对象为某汽车公司整车路试过程中发生断裂失效的左悬置连接支架，断裂处位于螺纹孔与加强筋之间，如图1所示。该支架材料为ADC12压铸铝合金。

▲图1 断裂支架

3 试验步骤

3.1 断口宏观分析

支架断裂位置如图2所示。断裂发生于加强筋与螺纹孔之间变截面位置附近，该处在整车行驶过程中受力较大，且属于铸造应力集中处。断口宏观形貌如图3所示。断口整体呈灰色，未见明显腐蚀形貌，局部发生严重磨损，并且断口上可见疏松、孔洞等缺陷。在图2所示①号断口上可见人字纹花样。

综上所述，可初步判定断裂为典型的脆性断裂，并且由断口上人字纹花样收敛方向、断口扩展方向及二次裂纹开裂方向可判断断裂起源于内侧（加强筋一侧）次表面疏松缺陷处，向外快速扩展断裂。

▲图2 支架断裂位置

▲图3 断口宏观形貌

3.2 断口微观分析

分别取图2所示①号和②号断口，超声清洗后在扫描电镜下观察，断口微观形貌如图4所示。试样表面未见明显损伤及缺陷，断口整体粗糙，局部区域磨损严重，断口脆性断裂形貌显著。由于此种断裂扩展速度极快，因此断口各处开裂的时间先后相差无几，但由断口扩展纹路走向及人字纹花样的收敛方向可判断断裂起源于断口处次表面疏松、孔洞缺陷。两断口形貌相似，为脆性解理断口，断口上可见少量疏松、孔洞。

3.3 高倍金相组织分析

切取图3中③号和④号断口样品，镶嵌磨制抛光后用0.5%氢氟酸水溶液腐蚀，检验断口附近及正常基体的组织。断口附近可见疏松缺陷［8］，形貌如图5所示。断口附近组织形貌如图6所示。组织为α固溶体+少量块状初晶硅+点状和条块状共晶硅+针状β相+少量其它析出相。疏松、条块状共晶硅及针状β相的存在会增大铸件脆性，降低材料的抗拉强度［9］。正常基体组织形貌如图7所示。

3.4 材料化学成分分析

在断裂样品上切取化学试样，按照GB/T 7999—2015标准［10］采用光谱仪对断裂支架的材料成分进行检测，并将测试结果与JIS H5302—2006《铝合金压铸件》中的ADC12成分要求进行对比，结果见表1。

由表1可以看出，该断裂支架中铁的含量超出了标准，其余元素的化学成分均符合JIS H5302—2006《铝合金压铸件》中ADC12铝合金的成分要求。

表1 材料化学成分检测结果

3.5 试样拉伸性能测试分析

▲图4 断口微观形貌

▲图5 断口附近疏松缺陷

▲图6 断口附近组织形貌

▲图7 正常基体组织形貌

按照 GB/T 9438—2013 标准［11］的要求，从断裂支架中切取三根拉伸试样棒进行拉伸测试，取样位置如图8所示。采用GB/T 228.1—2010标准［12］中的R6试棒（直径d=6 mm），在加工拉伸试样时发现三个试样棒含有少量的疏松、孔洞缺陷，拉伸试样棒形貌如图9所示。试验结果见表2，由数据可见材料的强度较低，低于JIS H5302—2006《铝合金压铸件》中ADC12铝合金的测试平均值。各种合金压铸件的实体强度中，拉伸强度平均值为228 MPa，标准偏差为41 MPa。

表2 拉伸试样棒抗拉强度测试结果

▲图8 拉伸试样取样位置

▲图9 拉伸试样棒形貌

3.6 试样硬度性能测试

切取③号断口上的部分样品，按照GB/T 4340.1—2009 标准［13］测试试样硬度，并采用 ASTM E140-12be1《金属硬度换算表》将维氏硬度（HV）转换为洛氏硬度（HRB），结果见表3。

表3 试样硬度测试结果

由表3可知，故障件的硬度测试结果略高于JIS H5302—2006《铝合金压铸件》中ADC12铝合金的HRB测试平均值。各种合金压铸件的实体强度中，HRB平均值为40.0，标准偏差为1.8。

4 试验结果分析

断口宏观分析表明，断裂开始于加强筋与螺纹孔之间位置，该处受力较大，且属于铸造应力集中处。断口微观分析表明，断裂起源于次表面的疏松缺陷处，呈典型脆性断裂形貌，断口上可见疏松缺陷。金相分析表明，试样中含有疏松、孔洞等缺陷，同时组织中含有针状β相，疏松、条块状共晶硅，以及针状β相的存在会增大铸件的脆性，降低材料的抗拉强度。材料化学成分分析表明，断裂支架中铁的含量超出了标准，其余元素的化学成分均符合JIS H5302—2006《铝合金压铸件》中ADC12铝合金的成分要求。

拉伸性能测试结果表明，材料抗拉强度略低于标准值。硬度测试数据表明，材料硬度略高于标准要求。

5 结束语

综上所述，引起左悬置连接支架断裂失效的主要原因包括铸造时应力集中、材料中存在疏松及孔洞等缺陷、支架中铁含量超标、材料抗拉强度偏低等。这些缺陷的存在严重降低了零件的力学性能，加上左悬置连接支架在整车路试过程中承受了较大的正应力和切应力，从而导致支架发生断裂失效。

在悬置支架的制造过程中，必须对铸造工艺进行重新审视和确认，及时优化零件铸造工艺，来减少铸造缺陷，如：严格控制材料成分中硅、铁元素的含量；重视材料熔炼过程，在满足要求的前提下，提高或降低熔炼温度、延长或缩短熔炼时间等。这些技术措施都有利于消除铸造过程中的疏松、孔洞等缺陷，避免支架在后续使用过程中发生断裂失效。

当考虑支架受力状况时，有两个后续研究方向，一是如何提高支架的机械性能以抵抗外力作用，二是如何减小受力。前者的研究对象是新材料、新热处理工艺，后者可以通过配置阻尼装置以减小发动机振动力和外力，从而进一步达到提高连接支架性能的目的。