某SS400减震器贮油缸钢管开裂原因分析

刘艳梅，赵美兰，冯 辉，王铁钢

（1.天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222；2.天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457；3.中国科学院金属研究所，沈阳 110016）

在汽车悬架系统中，汽车减震器是用来吸收和耗散由路面不平引起的震动能量，加速车架与车身振动的衰减，以改善汽车行驶的平顺性的一个重要部件。减震器不仅提高了汽车稳定性和舒适感，延长了汽车零部件的使用寿命，节省了燃料，而且还降低了汽车维修和保养的成本[1-2]。但减震器因其结构、功能及工作环境的特点，是车辆上售后维修率最高的零件之一[3]。减震器工作好坏，将直接影响汽车行驶的安全性、平稳性，以及其他零部件的使用寿命[4-5]。

某企业生产的小汽车在试车期间出现减震器贮油缸漏油现象，检查发现减震器贮油缸钢管开裂失效。汽车零部件失效会导致驾驶员无法正常控制汽车系统，由此可能造成道路事故。而防控交通事故的基本前提在于杜绝汽车行驶中的零部件失效，最大限度内防控机械零件失效引发的道路事故，从而保障汽车行驶中的良好状态[6-7]。因此，有必要对减震器贮油缸钢管开裂失效原因进行分析，找到其失效原因，为后续生产提出改进和预防措施，为防止同类失效的再发生提供重要依据，从而达到提高贮油缸产品质量的目的[8]。本文对开裂的减震器贮油缸的断口裂纹源进行宏观及微观分析，结合钢管的显微组织及化学成分分析，探究造成减震器贮油缸开裂的原因，以确定贮油缸的开裂失效机理。

1 试样制备及试验方法

开裂的减震器贮油缸如图1所示。减震器贮油缸钢管直径45 mm，壁厚2.5 mm，钢管基体材料为热轧态的SS400焊接钢管，钢管表面经电泳处理。裂纹产生于贮油缸与汽车装配连接处，见图1（a），沿贮油缸周向开裂，裂纹附近存在大量腐蚀性介质及腐蚀产物，见图 1（b）。

图1 开裂的减震器贮油缸

利用直读光谱仪分析开裂的减震器贮油缸钢管的化学成分。将贮油缸沿裂纹打开，用清洗液清洗断口，对断口及断口侧面的外观形貌进行观察分析。利用TESCAN VEGAⅡSBH扫描电镜分析贮油缸断口显微形貌，截取贮油缸钢管的截面制备金相样品，利用ZEISS Axiovert 40 MAT光学显微镜观察样品的显微组织。

2 试验结果及分析

2.1 化学成分分析

对开裂的贮油缸钢管基体的化学成分进行分析，贮油缸钢管基体的化学成分wt（%）如表1所示。钢管基体的化学成分满足JISG3101（2004）标准中SS400钢的成分要求，贮油缸钢管基体成分合格。

表1 贮油缸钢管基体的化学成分wt（%）

2.2 宏观分析

贮油缸钢管断口及断口侧面的外观形貌如图2所示。从图2（a）中可以看出，贮油缸原来已经开裂约为周向的3/4。从图2（b）可以看出，贮油缸断口处电泳涂层脱落，脱落宽度距离断口2～7 mm，涂层脱落处金属有锈蚀现象。从图2（c）可以看出，贮油缸管壁存在管壁变薄区，壁厚约2 mm，裂纹源位于管壁变薄区。

图2 贮油缸钢管断口及断口侧面的外观形貌

贮油缸钢管断口微观形貌如图3所示。裂纹源位于贮油缸管壁变薄区的外壁，该处裂纹沿管壁外表面向内扩展，且有明显腐蚀现象，裂纹扩展区存在点腐蚀坑，见图3（a）。扩展区较平整，为贮油缸开裂后反复摩擦所致，见图3（b）。裂纹瞬断区韧窝明显，为塑性断裂，见图 3（c）。

图3 贮油缸钢管断口微观形貌

2.3 显微分析

贮油缸断口处金相试样抛光和腐蚀后的显微形貌如图4所示。裂纹源处切取试样，经磨抛、腐蚀后观察，贮油缸钢管外壁存在裂纹，裂纹附近未发现脱碳现象，腐蚀产物沿裂纹分布，为应力腐蚀裂纹特征。

图4 贮油缸断口处金相试样抛光和腐蚀后的显微形貌

贮油缸钢管金相试样非金属夹杂物和显微组织形貌如图5所示。非金属夹杂物为A类和D类，均≤0.5级，见图5（a）。试样的金相组织为铁素体+珠光体，晶粒细小，未见带状组织及过热、过烧及其他组织缺陷，为正常的热轧状态组织，见图5（b）。

图5 贮油缸钢管金相试样非金属夹杂物和显微组织形貌

3 结果分析与讨论

在汽车悬架中，减震器总是和弹簧配合使用，当压下车身的一角时，实际上压缩的是弹簧，同时相应地摆臂摆转。当松开车身后，在弹簧力下，车身要反弹，此时减震器对弹簧的反弹起到了阻尼作用，即在反弹后趋于稳定。如果没有减震器，弹簧在反弹后会再次被压缩，再反弹，表现为车身多次反弹后趋于稳定。减震器通过结构或设备，利用流体把弹簧的弹性能量转换成热能，抑制路面状况传递给车身的震动，使车辆运动收敛更合理化，从而让驾驶员远离震动带来的不适感，尽量减小路面状况对汽车行驶的稳定性和舒适度的影响[1]。因此，减震器的作用就是在汽车悬架的弹簧反弹时起到阻尼减震[9]。

一般而言，汽车造成损坏有3个因素，即腐蚀、磨损、意外事故。贮油缸在车上的装配结构见图1（a）。车辆正常行驶时，对悬架系统来说，当其中的弹性元件受冲击时，会产生不同程度的震动，减震器贮油缸在工作过程中经受高压作用，必须有良好的气密性和拉伸断裂抗力[4，10]。而大气中的SO2和Cl-，含硫物质和碱性土壤造成的灰尘等都使汽车处于腐蚀的环境中，因此减震器贮油缸在汽车行驶过程中会受到外界施加的作用力及周围复杂环境介质腐蚀的双重作用[11]。

由化学成分分析结果可知，减震器贮油缸的成分符合JISG3101（2004）标准中SS400钢的成分要求[12]。贮油缸试样显微组织为珠光体+铁素体，是正常的热轧状态，金相组织细致，未见组织粗大等过热、过烧及其他组织缺陷，并且钢管的非金属夹杂物及带状组织都在正常范围内。因此，可知贮油缸钢管基体材料的冶金及热处理状态未见异常。

本文开裂的减震器贮油缸采用电泳涂装技术进行了涂装。电泳涂层起到了提高耐腐蚀性能及抗冲击性能的作用，在汽车减震器涂装领域应用广泛。开裂的贮油缸表面的电泳涂层在断口附近产生较严重的脱落，严重影响了贮油缸钢管的抗腐蚀性能。电泳涂装的前处理阶段、后清洗阶段、漆膜烘烤以及电泳涂装阶段工艺参数（固体分、电导率、电压、温度等）控制不当，都会影响漆膜的附着力和耐蚀性，进而影响电泳涂层的使用寿命[13-14]。同时，涂层所受应力过大，超过涂层结合力，涂层也会出现磨损、脱落现象[15]。电泳涂层所受应力可能来自汽车行驶过程中的异常震动或装配过程中产生的过大的装配应力，这些都会导致应力过大，进而涂层脱落。

贮油缸与汽车机架装配，车辆在行驶过程中，贮油缸承受反复震动的作用力。同时，贮油缸的使用环境存在腐蚀性介质，使贮油缸在交变载荷及介质腐蚀共同作用下，钢管外表面的电泳涂层发生脱落。电泳涂层脱落部位的贮油缸钢管的金属裸露在外，金属表面无涂层保护，在外界环境腐蚀介质作用下钢管快速腐蚀。贮油缸钢管电泳涂层脱落部位在应力和腐蚀的共同作用下，逐渐被蚀损，导致贮油缸钢管管壁逐渐变薄。贮油缸钢管管壁变薄，钢管承载能力下降，钢管在腐蚀及应力的共同作用下，外表面产生裂纹，并逐渐向内部扩展，最终导致贮油缸钢管开裂。

4 结论

（1）贮油缸管壁显微组织为珠光体+铁素体，是正常的热轧状态。

（2）贮油缸钢管在开裂位置存在电泳涂层脱落现象，并且该处贮油缸钢管管壁变薄。贮油缸钢管裂纹起源于贮油缸管壁外表面，并且从表面向试样内部扩展。

（3）电泳涂层脱落后裸露的钢管基体在应力和腐蚀的共同作用下，逐渐被蚀损，贮油缸钢管承载能力下降，在应力腐蚀作用下钢管裂纹萌生、扩展，并最终导致贮油缸钢管开裂。