某重型汽车一桥摆臂开裂原因分析

(陕西重型汽车有限公司， 西安 710200)

一桥摆臂是车辆转向系统的重要零件之一，其主要作用是将转向拉杆的力传递至转向节臂上，从而实现车辆的转向。某重型汽车一桥摆臂在服役期间发生开裂，该开裂一桥摆臂的材料为40Cr钢，加工工序为：下料→自由锻→模锻→喷砂→热处理→机加工→表面喷漆。为查明该一桥摆臂开裂的原因，笔者对其进行了检验和分析，以期避免此类事件的再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观检查

开裂摆臂的宏观形貌如图1所示，可见开裂发生在折弯处，沿厚度方向两侧均可见开裂。开裂摆臂的表面孔位有装配痕迹，其余部位未见严重的磕碰、擦伤等外来机械损伤。

将摆臂的裂纹打开后观察裂纹开裂面形貌，图2为开裂断面的宏观形貌。可见红褐色物质覆盖的较不平坦区域为开裂断面，其余断面则是打开裂纹时切割形成的，开裂断面贯通摆臂的厚度方向，并向内扩展15～20 mm。开裂断面距摆臂表面1～3 mm区域分布有较多小台阶，其余开裂断面则呈典型的纤维状，人字纹指向摆臂表面裂纹。

图1 开裂摆臂宏观形貌Fig.1 Macro morphology of cracked swing arm

图2 开裂断面宏观形貌Fig.2 Macro morphology of cracked fracture surface:a) original fracture surface；b) fracture surface after cleaning

1.2 化学成分分析

采用直读光谱分析仪对开裂摆臂的化学成分进行分析，结果见表1。可见开裂摆臂的化学成分符合GB/T 3077-2015合金结构钢对40Cr钢的成分要求。

1.3 微观分析

摆臂的开裂断面经抛光后，使用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液浸蚀，其宏、微观形貌如图3所示，可见开裂断面上富集小台阶的部位内有一浅色近似扇形的区域。扇形区域的显微组织形貌如图4所示，可见其显微组织为铁素体+片状珠光体+贝氏体，片状珠光体轻微破碎。开裂摆臂正常区域的显微组织为中等粗细的回火索氏体+少量贝氏体+少量铁素体，如图5所示。在摆臂开裂断面的次表面可见多条与开裂断面平行的条带状缺陷，缺陷两侧较平滑并伴有明显的脱碳，其内部有断续分布的夹杂及微裂纹，如图6所示。

表1 开裂摆臂的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of cracked swing arm(mass fraction) %

图3 断面宏、微观形貌Fig.3 The a) macro and b) micro morphology of fracture surface

图4 扇形区域显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of sector region

图5 正常区域显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of normal region

图6 开裂断面及次表面显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of fracture surface and subsurface

1.4 金相检验

对同批次的未服役摆臂(对应开裂摆臂的开裂处)进行金相检验，试样经磨抛后的宏观形貌如图7所示。可见该处的流线呈“几”字形分布，“几”字开口朝向摆臂表面。在“几”字开口处有线状缺陷，该缺陷颜色较浅。在光学显微镜下观察，可见“几”字形缺陷两侧有轻微贫碳现象，且内部有断续分布的微孔洞、夹杂等，如图8所示。

图7 未服役摆臂磨抛后的宏观形貌Fig.7 Macro morphology of the unused swing arm after grinding and polishing

图8 线状缺陷处的显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of the linear defect

2 分析与讨论

由上述理化检验结果可知，开裂摆臂的化学成分符合GB/T 3077-2015对40Cr钢的成分要求，且其显微组织正常。

开裂发生在摆臂的折弯处，在开裂面的次表面可见多条与开裂面近似平行的条带状缺陷，同批次未服役摆臂对应开裂位置上的流线呈“几”字形分布，表明该区域在压应力作用下发生了剧烈的塑性变形，“几”字形开口处可见线状缺陷。通过缺陷的微观形貌，并结合摆臂的加工工艺可知，此缺陷为锻造过程中产生的折叠缺陷。

折叠缺陷破坏了摆臂的连续性，成为应力集中源、裂纹源等，而且显著降低摆臂的力学性能，导致摆臂在此处萌生裂纹，在正常服役过程中裂纹会逐渐扩展。

由调查可知，摆臂在喷砂结束后表面有肉眼可见的程度不一的缺陷，故对摆臂表面进行了补焊处理，断口上富集的小台阶即为补焊所致。由检验结果可知，补焊未完全消除摆臂的折叠缺陷，且补焊所用焊条与母材成分有较大差异。

当摆臂出现折叠缺陷时可以通过合理的补焊工艺进行修补，但必须注意以下几点：补焊应在摆臂热处理之前；折叠缺陷应进行机械打磨，待完全消除后再进行补焊；补焊时应采用与母材成分相近的焊条。

3 结论及建议

该开裂摆臂的开裂模式为疲劳开裂，摆臂在锻造过程中产生了折叠缺陷，折叠缺陷内伴生夹杂及微裂纹，在工作应力下折叠缺陷成为疲劳源，最终导致摆臂开裂。

建议优化摆臂的锻造工艺，选择合适的折弯模具，以减少折叠缺陷的产生；对摆臂易产生折叠缺陷的部位进行磁粉探伤检测，加强摆臂的质量检验。