40Cr钢汽车转向弯臂断裂原因

2021-10-08欧雪雁

理化检验(物理分册) 2021年9期

欧雪雁

(安徽江淮汽车集团股份有限公司, 合肥 230022)

转向弯臂是汽车转向系统的重要安全零件，在前进、倒车时具有左右转向的功能，其服役时承受转向器输出轴、转向摇臂、直拉杆及球销传递的拉、压、弯曲循环应力。某型号的转向弯臂材料为40Cr钢，生产工艺流程主要有热锻成形、调质处理、机加工、锥部及台阶高频感应淬火等。该型转向弯臂在服役约1 a(年)后陆续发生两起转向弯臂轴颈处的早期断裂故障，故障里程分别为59 434，45 450 km。为找到转向弯臂的断裂原因，笔者对其中一个断裂弯臂进行了检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观分析

转向弯臂(简称弯臂)的工艺结构和断裂位置见图1，可见图纸要求断裂处结构为大端直径φ38 mm、锥度1…10的锥柄，锥柄及台阶32～38 mm范围内感应淬火硬化层深度为3～5 mm。装配工艺为锥柄与左转向节锥孔过盈装配，止动台阶与左转向节平面相抵防止旋转，弯臂外侧用螺母固定防止松动。弯臂轴颈处断口宏观形貌如图2所示，可见断裂起始于左转向节装配锥孔外台阶与锥柄过渡圆角R角内、外侧1 mm的锥柄大端上，为垂直于弯臂轴线的正向断裂。断裂锥柄呈感应加热的青蓝色，断口附近外表面4 mm范围内呈金属本色，无异常损伤；断口整体呈双向弯曲疲劳断裂特征[1]，将断口分为A，B，C，D，E 5个区域，A，E区域为疲劳裂纹源区，呈深铁锈色，A，E区域的中心点分别为弯臂弯型的内、外侧，受到循环往复应力时首先形成裂纹源；B，D区域为弯曲疲劳裂纹扩展区，呈浅铁锈色，B区域疲劳辉纹肉眼可见；中间的C区域为瞬断区，呈金属浅灰色，面积占总断口的1/3。因左右转向受力大小不同，A，B区域的面积略大于E，D区域的，断口未见明显缺陷。

图1 弯臂的工艺结构和断裂位置示意图

图2 断裂弯臂断口宏观形貌

1.2 微观分析

采用扫描电镜(SEM)对断口进行观察，结果见图3。图3a)，b)分别为A，E区域SEM低倍形貌，可见A，E区域为双向裂纹源区，疲劳弧线的圆心在断口中间，且A，E区域边缘低倍下均可见车削加工刀痕，未见夹杂物缺陷；图3c)是A区域SEM高倍形貌，呈沿加工刀痕面向内扩展的微孔聚集型韧性断裂形貌；B，D区域断裂特征相似，为裂纹扩展区，呈解理断裂和断续圆弧状的二次裂纹形貌，B区域的SEM低倍形貌见图3d)；图3e)为C区域SEM高倍形貌，可见C区域为解理、韧窝混合断裂特征形貌，为瞬断区[2]。

图3 断裂弯臂断口SEM形貌

1.3 化学成分分析

在断裂弯臂上取样进行化学成分分析,结果见表1。由表1可见，弯臂的化学成分符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》对40Cr钢的技术要求。

表1 弯臂化学成分分析结果(质量分数)

1.4 硬度测试

在断裂弯臂轴颈处切割试样进行硬化层硬度测试[3]，结果见表2。由表2可见，基体调质后的布氏硬度和弯臂锥柄处、轴颈凸台处感应淬火的洛氏硬度均满足技术要求, 但是R角处硬度为原调质组织硬度[3]，即此处无硬化层，不满足技术要求。

表2 断裂弯臂不同位置的硬度测试结果

1.5 金相检验

依据GB/T 13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》的技术要求对断裂弯臂进行基体调质组织检验[4-5]，显微组织为回火索氏体2级，见图4，满足标准1～4级的要求。依据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定法》的技术要求，抽样检查弯臂原材料40Cr钢的原始晶粒度，形貌如图5，测得晶粒度为6级，符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》对特级优质钢原始晶粒度大于5级的要求。

图4 断裂弯臂基体的显微组织形貌

图5 40Cr钢的原始晶粒形貌

依据QC/T 502-2009《汽车感应淬火零件金相检验》的技术要求，在弯臂R角内侧切取试样并进行表面硬化层深度和马氏体等级检验[6]，硬化层检验位置及显微组织形貌见图6，硬化层深度和马氏体等级检验结果见表3，可见锥柄处表面马氏体等级为2级粗大马氏体，锥柄处硬化层中已形成沿马氏体晶界扩展的裂纹，裂纹起源于锥柄R角机加工刀痕处表面。

图6 断裂弯臂硬化层检验位置及显微组织形貌

表3 断裂弯臂硬化层深度和表面马氏体等级检验结果

1.6 受力分析

使用计算机辅助工程(CAE)模型软件对弯臂进行受力分析，应力集中区域为锥柄弯型R角内侧、外侧和弯型“鱼钩状”内侧，如图7中灰色区域。

图7 弯臂服役时的受力分布示意图

1.7 强度校核

经力学模型计算、强度校核可知，该型弯臂的安全系数为1.67，安全系数满足《汽车设计》[7]1.5～2.5的要求。

2 分析与讨论

断裂弯臂断裂位置位于轴颈大端R角处。从以上检验可知，弯臂40Cr钢材料的化学成分符合标准要求，原始晶粒无粗大现象，调质硬度、显微组织均满足要求，排除了原材料和调质质量的原因。由宏观分析可知，断裂的锥柄呈感应加热的青蓝色，断口附近呈金属本色，说明R角未能有效感应淬火[8]。由微观分析可知，断口整体呈双向弯曲疲劳断裂特征，裂纹源均呈韧性断裂特征[9]，裂纹源区位于R角处，未见沿晶断裂特征形貌。由硬化层深度和马氏体等级检验可知，R角处无硬化层，锥柄和台阶处马氏体为粗大的2级马氏体，分析是感应淬火热处理工艺不当造成的，因台阶处马氏体粗大对弯臂影响不大，虽然在锥柄处发现沿晶微裂纹，但没有成为最终断裂的裂纹源，说明此处抗弯曲强度大于未淬火R角处基体的。弯臂断裂位置为左转向节装配锥孔外R角内、外侧1 mm处锥柄大端，正向断裂，断裂位置和CAE分析显示的强度薄弱环节一致，应力集中区域为锥柄弯型R角内侧、外侧和弯型“鱼钩状”弯型内侧，此处相当于一个变形的悬臂梁根部，悬臂梁的力臂越大，转向时弯曲应力越容易在R角应力集中区域萌生裂纹。弯臂服役时，弯曲疲劳抗力不均衡，疲劳强度不足，即表面层截面变化的过渡区未淬火，R角表面热处理强化作用不足，导致锥柄薄弱处先产生裂纹源，直至发生疲劳断裂，这是该弯臂发生早期断裂的根本原因。据文献[10]可知，高频感应淬火可有效地提高零件的弯曲及扭转疲劳强度，通常小型零件可提高2～3倍，而大型零件可提高20%～30%。这主要是由于表面淬硬层中马氏体的比体积比内部原始组织的大，使零件表层形成很大的残余压应力[10]，该文中零件属于中小型零件。在表面硬化层不能有效淬硬的情况下，表面机加工刀痕成为断裂的次要因素，感应淬火试样的疲劳强度比调质试样的高，对于缺口试样感应淬火几乎可完全消除缺口对疲劳寿命的不利影响[11]。此外，转向弯臂的设计安全系数为1.67，满足《汽车设计》安全系数为1.5～2.5的要求，可排除设计强度不足因素。