李迎超,劉鵬鵬,岳宗豪,石海琳

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 ２０１２０１)

摘 要:某汽車用鋼支架,在耐久道路試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂失效.通過化學(xué)成分分析、靜拉伸試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和斷口分析,對(duì)比了耐久道路試驗(yàn)的失效件和合格件,分析了該鋼支架的斷裂原因.

結(jié)果表明:失效支架材料中的碳含量很低,材料的晶界強(qiáng)度較弱;支架斷裂部位發(fā)生了較大沖壓形變,導(dǎo)致應(yīng)力較大;二次加工脆性是支架沿晶疲勞斷裂的根本原因.

關(guān)鍵詞:支架;耐久道路試驗(yàn);疲勞斷裂;碳含量;二次加工脆性

中圖分類號(hào):TG１４２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３５３Ｇ０４

某汽車用鋼支架設(shè)計(jì)材料為國內(nèi)常用的日本冷軋鋼板,牌號(hào)JISG３１４１ＧSPCC[１],厚度２ mm.該支架在耐久道路試驗(yàn)過程中發(fā)生了斷裂失效,斷裂部位為９０°折彎部位,如圖１(a)中圓圈所示.同樣的耐久道路試驗(yàn)中,另一支架１００％通過了試驗(yàn),如圖１(b)所示,左側(cè)為耐久試驗(yàn)合格件,右側(cè)為耐久試驗(yàn)失效件,可見失效件底部托板已完全斷裂.

筆者分別從失效件和合格件支架上取樣,進(jìn)行了化學(xué)成分分析、靜拉伸性能測(cè)試和金相檢驗(yàn),以查找導(dǎo)致支架斷裂失效的根本原因,防止類似失效事件的再次發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 化學(xué)成分分析

使用碳硫分析儀及直讀光譜儀對(duì)支架進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表１所示.除JISG３１４１－２００５要求的元素含量外表１中也列出了其他主要影響鋼板性能的元素含量.由結(jié)果可見,失效件和合格件支架化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但碳含量有顯著區(qū)別,失效件的碳含量已屬于超低碳無間隙原子鋼(InterstitialFreeSteel,簡(jiǎn)稱IF鋼)的范疇.

１．２ 靜拉伸試驗(yàn)

失效件和合格件支架的靜拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表２所示.雖然兩者的抗拉強(qiáng)度都未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,但只是略低于標(biāo)準(zhǔn)值,且合格件的抗拉強(qiáng)度更低,由此判斷材料強(qiáng)度偏低不是導(dǎo)致其斷裂失效的原因.失效件和合格件的斷后伸長率都超過了５０％,應(yīng)該不是普通的SPCC 冷軋鋼板,而更接近具有超高塑性和深沖性能的IF鋼[２].

１．３ 金相檢驗(yàn)

從失效件上接近失效部位及合格件上同樣位置按相同方向取樣,研磨、拋光后使用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕.使用徠卡光學(xué)顯微鏡觀察對(duì)比了兩個(gè)試樣,其顯微組織形貌如圖２所示,均為鐵素體,未發(fā)現(xiàn)異常組織.

１．４ 斷口分析

使用掃描 電 鏡 觀 察 失 效 件 支 架 的 斷 口,其 宏觀和微觀形貌如圖３所示.可見斷口左右側(cè)均有斷裂起源點(diǎn),屬 多 點(diǎn) 起 源 的 疲 勞 斷 口. 斷 口 最 大的特點(diǎn)是以沿 晶 形 貌 為 主,很 多 細(xì) 小 的 疲 勞 輝 紋尺寸不足１μm,沿 著 晶 面 向 前 擴(kuò) 展,如 圓 圈 中 所示形貌.

據(jù)此可以判斷,斷口屬于在小應(yīng)力下多點(diǎn)起源的高周疲勞斷口.斷口部位材料的晶間結(jié)合力極為薄弱,在極小的應(yīng)力下裂紋并未直接穿晶向前,而是選擇更曲折地沿晶界發(fā)展.

２ 分析與討論

在車輛行駛過程中該支架主要承受上下振動(dòng),電腦輔助工程 CAE(ComputerAidedEngineering)應(yīng)力分析如圖４所示,可見斷裂部位屬于應(yīng)力最大區(qū)域(如圓圈所示).根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,失效件材料與合格件的接近,主要區(qū)別在于合格件的碳含量比失效件的高出很多.而斷后伸長率超過５０％的鋼材會(huì)出現(xiàn)沿晶斷口,甚至可見細(xì)小的疲勞輝紋沿晶界擴(kuò)展,這樣脆弱的晶界結(jié)合力應(yīng)該與二次加工脆性有關(guān).

由于超低碳的IF鋼晶界強(qiáng)度較弱,在沖壓成型后,鋼板具有一定的內(nèi)應(yīng)力,受外力作用容易產(chǎn)生晶間斷裂現(xiàn)象,即二次加工脆化.沖壓成型應(yīng)變?cè)酱?對(duì)應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力也越大,其脆化趨勢(shì)也越嚴(yán)重[３].二次加工脆性一般與低溫也有關(guān)系,特別是磷元素易在晶界偏析,更容易造成低溫脆性的增加[４].不過該支架材料的磷含量極低,且失效件的更低,因此該失效事件應(yīng)與磷元素關(guān)系不大.冬季道路試驗(yàn)的低溫,也增加了塑性變形位錯(cuò)開動(dòng)的阻力.IF鋼板進(jìn)行二次沖壓成型時(shí),位錯(cuò)在成團(tuán)低能晶界處運(yùn)動(dòng)不受阻擋,而快速移動(dòng)到高能隨機(jī)晶界處時(shí)受到阻礙,位錯(cuò)大量在此塞積,引起沿晶斷裂,這是產(chǎn)生二次加工脆性的重要原因[５].

失效件的碳含量僅為 ０．００８％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),按上述機(jī)理極易發(fā)生二次加工脆斷.合格件支架的碳含量較高,二次加工脆化的傾向較低,因此在道路試驗(yàn)中未發(fā)生開裂.而對(duì)于未經(jīng)過沖壓變形的區(qū)域,比如從失效件上取樣的拉伸試樣,其室溫?cái)嗪笊扉L率超過了５０％,斷口也全部呈韌窩形貌,如圖５所示,進(jìn)一步說明失效是因?yàn)閿嗔巡课唤?jīng)過塑性加工 后,在一定條件下發(fā)生的沿晶脆斷. ３ 結(jié)論及建議 失效件的斷裂部位進(jìn)行了 ９０°的沖壓折彎,發(fā) 生了較大的塑性變形.在殘余內(nèi)應(yīng)力、位錯(cuò)塞積等 因素的綜合作用下,支架因二次加工脆性而發(fā)生沿 晶疲勞斷裂. 建議改用碳含量高于 ０．０１％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的非 IF鋼板[６].支架零件的形狀并不復(fù)雜,不必使用高 深沖性能的IF鋼板,按原設(shè)計(jì)使用普通的SPCC冷 軋鋼板即可滿足成型要求. 由于IF鋼存在二次加工脆化的問題,因此在零 件設(shè)計(jì)應(yīng)用中,如確實(shí)需要使用IF 鋼,應(yīng)盡量降低 沖壓變形部位的受載.

圖５ 失效件拉伸試樣的斷口形貌

Fig.５ Fracturemorphologyofthetensiletestspecimen ofthefailurepart

３ 結(jié)論及建議

失效件的斷裂部位進(jìn)行了 ９０°的沖壓折彎,發(fā)生了較大的塑性變形.在殘余內(nèi)應(yīng)力、位錯(cuò)塞積等因素的綜合作用下,支架因二次加工脆性而發(fā)生沿晶疲勞斷裂.

建議改用碳含量高于 ０．０１％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的非IF鋼板[６].支架零件的形狀并不復(fù)雜,不必使用高深沖性 能的IF鋼板,按原設(shè)計(jì)使用普通的SPCC冷軋鋼板即可滿足成型要求.

由于IF鋼存在二次加工脆化的問題,因此在零件設(shè)計(jì)應(yīng)用中,如確實(shí)需要使用IF 鋼,應(yīng)盡量降低沖壓變形部位的受載.

（文章來源:材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>53卷>5期）