摘 要:某車輛在下線時(shí)發(fā)生橫拉桿斷裂失效.使用掃描電鏡、光譜儀、硬度計(jì)等儀器設(shè)備對(duì)斷 裂的橫拉桿進(jìn)行了失效分析,并利用二維有限元數(shù)值計(jì)算方法模擬了鋼材冷擠壓過程中心部裂紋 的形成過程.結(jié)果表明:該失效件是在冷擠壓變形加工過程中受到了過大的載荷,內(nèi)部產(chǎn)生了多處 開裂,使有效連接面積大幅減小,因而當(dāng)車輛行駛時(shí),橫拉桿即發(fā)生斷裂失效. 

關(guān)鍵詞:橫拉桿;有限元分析;冷擠壓;過載斷裂;失效分析 

中圖分類號(hào):U４６３;TG１４２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４６３Ｇ０３ 

某車型車輛正常下線,上前束減振帶,過了三 格,無法前進(jìn).解析車輛,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的橫拉桿在 螺紋處斷裂.檢查斷裂零件及周邊相關(guān)零件,均未 發(fā)現(xiàn)撞擊、磕碰痕跡,見圖 １.橫 拉 桿 與 轉(zhuǎn) 向 機(jī) 相 連,是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要零件,是聯(lián)系左右梯形臂 并使其 協(xié) 調(diào) 工 作 的 連 接 桿[１]. 該 橫 拉 桿 材 料 為 ３０MnVS６非 調(diào) 質(zhì) 鋼,加 工 工 藝 如 下:冷 擠 壓 成 型 (從?１６．５mm 加工到?１５mm)→回火去應(yīng)力→球 銷加工滾光→滾絲.為查明該橫拉桿斷裂的原因, 筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 斷口分析 

斷口分析包括宏觀斷口分析和微觀斷口分析,宏觀斷口分析以目視、放大鏡及體視顯微鏡觀察為主. 微觀斷口分析主要采用掃描電子顯微鏡觀察[２]. 

１．１．１ 宏觀斷口分析

橫拉桿在螺紋處斷裂,斷口明顯分為 A和B兩個(gè) 區(qū)域:經(jīng)初步計(jì)算,外層區(qū)域 B約占整個(gè)斷面面積的 １７％;A區(qū)的心部為斷裂起始位置,即裂源,見圖２. 

１．１．２ 微觀斷口分析 

采用ZeissEVO２５掃描電鏡(SEM)觀察,A 和B兩個(gè)區(qū)域斷口微觀形貌都為韌窩,見圖３和圖４. 韌窩是金屬延性斷裂的主要微觀特征[３].因此這兩 個(gè)區(qū)域都為過載斷裂.由此可見,該零件發(fā)生了兩 次過載開裂.裂源在 A 區(qū),因此 A 區(qū)第一次受外力 發(fā)生開裂,此時(shí)未完全斷裂;當(dāng)?shù)诙问芰r(shí),A 區(qū) 裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,發(fā)生完全斷裂,該裂紋擴(kuò)展區(qū)域就是 B區(qū).

１．１．３ 心部裂紋分析 

將斷口附近的橫拉桿桿部縱向剖開,見圖５,發(fā) 現(xiàn)類似于斷口形狀的與斷口平行的裂紋,見圖 ６. 內(nèi)部裂紋未斷裂區(qū)域約占橫拉桿橫截面積的１８％, 見圖７和圖８,與前文斷口分析中 B 區(qū)斷口面積約 占整個(gè)斷面面積分?jǐn)?shù)１７％非常接近.由此推斷,該 平行裂紋對(duì)應(yīng)于斷口 A 區(qū),而裂紋未斷裂區(qū)域?qū)?yīng) 于斷口 B區(qū). 

１．２ 有限元分析 

有限元分析(FiniteElementAnalysis,FEA)利 用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工 況)進(jìn)行模擬,已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問題 的有效途徑,例如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等. 采用二維有限元數(shù)值計(jì)算方法模擬鋼材冷擠壓過程 中心部位裂紋的形成過程(加載大載荷),圖９顯示了擠壓棒材隨著推進(jìn)位移的變化,即裂紋產(chǎn)生的情 況.從圖９可以發(fā)現(xiàn),鋼材冷擠壓加載大載荷時(shí),心 部所產(chǎn)生的裂紋與失效件的形狀相同.

１．３ 硬度測(cè)試 

使用 WilsonUH７５０萬能全自動(dòng)硬度計(jì)測(cè)試橫 拉桿硬度,結(jié)果見表１,滿足相關(guān)技術(shù)要求.

１．４ 化學(xué)成分分析 

橫拉桿材料為３０MnVS６非調(diào)質(zhì)鋼,用 Spectro M８光譜儀分析其化學(xué)成分,結(jié)果見表２,亦滿足相 關(guān)技術(shù)要求.

２ 綜合分析 

橫拉桿斷口附近發(fā)現(xiàn)類似于斷口形狀的與斷口 平行的月牙形裂紋,說明在車輛啟動(dòng)前該橫拉桿就 已存在月牙形裂紋,該裂紋使橫拉桿的有效連接面 積大幅減小,僅為１７％ 左右.因此當(dāng)車輛開動(dòng)時(shí), 橫拉桿受力發(fā)生斷裂.用二維有限元數(shù)值計(jì)算方法 模擬鋼材冷擠壓過程中心部位裂紋的形成過程,結(jié) 果顯示當(dāng)鋼材冷擠壓加載大載荷時(shí),心部所產(chǎn)生的 裂紋也是多個(gè)月牙形,與失效件的形狀相同.由此 推斷橫拉桿心部月牙形裂紋是在冷擠壓變形加工工 序中,受到過大的載荷而導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生的多處開裂. 檢查橫拉 桿 加 工 工 藝,桿 體 從 ?１６．５ mm 加 工 到 ?１５mm 時(shí)正是使用了冷擠壓變形這一工藝,因此 應(yīng)該是在這一工藝過程中發(fā)生異常導(dǎo)致了橫拉桿內(nèi) 部開裂.

３ 結(jié)論及建議 

(１) 橫 拉 桿 桿 體 在 從 ?１６．５ mm 加 工 到 ?１５mm的冷擠壓變形工序中,由于加載載荷過大, 導(dǎo)致桿體心部產(chǎn)生了多個(gè)相互平行的月牙形裂紋, 有效連接面積大幅減小,當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí),裂紋二次擴(kuò) 展,橫拉桿斷裂失效. 

(２)將同批次的所有零件進(jìn)行 X 射線檢測(cè),未 發(fā)現(xiàn)有類似的缺陷件.因此推斷這是試模件,供應(yīng) 商未將試模件丟棄. 

(３)嚴(yán)格規(guī)定供應(yīng)商廢棄所有試模件,并在線 添加無損檢測(cè)設(shè)備,對(duì)生產(chǎn)線上的零件做到１００％ 無損探傷.后續(xù)未再發(fā)生類似的失效事件.

參考文獻(xiàn): 

[１] 張亦良,姜公鋒,徐學(xué)東,等．汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿斷裂失 效分析[J]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),２０１０,３６(１０):１３１７Ｇ １３２３． 

[２] 張濤,高 云 鵬,田 峰,等． 電 站 汽 動(dòng) 給 水 泵 ０Cr１３Ni４Mo不銹鋼主軸斷裂失效分析[J]．理化檢 驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１５,５１(１０):７２５Ｇ７２９． 

[３] 張棟．失效分析[M]．北京:國防工業(yè)出版社,２００４．

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)