汽車轉(zhuǎn)向拉桿調(diào)整管斷裂失效探討

精品文檔-下載后可編輯汽車轉(zhuǎn)向拉桿調(diào)整管斷裂失效探討轉(zhuǎn)向拉桿是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要的零部件，它的工作狀態(tài)直接影響車輛操縱的穩(wěn)定性以及行駛的安全性。４５號(hào)鋼的汽車轉(zhuǎn)向縱拉桿前段調(diào)整管在爬坡轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生了斷裂。斷裂位置在調(diào)整桿的螺紋處發(fā)生，斷口較為平齊，與拉桿軸向垂直，如圖１所示。為了防止此類事故再次發(fā)生，對(duì)斷裂的拉桿調(diào)整管斷口進(jìn)行了失效分析。圖１斷裂調(diào)整桿圖２調(diào)整管結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)向縱拉桿前段調(diào)整管材料為４５號(hào)鋼材質(zhì)ＧＢ／Ｔ８１６２—２０１８的無(wú)縫鋼管，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中查得，鋼管為正火態(tài)供貨，直接加工使用未作熱處理，工件結(jié)構(gòu)示意圖見圖２。制造工藝為：原材料下料—機(jī)械加工—表面處理—裝配成品。

１實(shí)驗(yàn)與分析

１．１斷口分析

使用干燥氣流和纖維軟刷對(duì)斷口進(jìn)行清理，清理后斷口表面的宏觀形貌如圖３所示，從圖中可以看出：斷口存在早期缺陷，缺陷處存在氧化色及疲勞條帶，通過疲勞條帶方向可推斷缺陷起源于調(diào)整桿外螺紋根部［１］，向鋼管心部擴(kuò)展，早期缺陷寬度僅２．３ｍｍ，擴(kuò)展區(qū)范圍較小，且沒有瞬時(shí)斷裂區(qū)，因此，早期缺陷僅造成調(diào)整管強(qiáng)度較低，并未直接引起斷裂。還有兩處灰黑色圓弧狀的脆性斷裂區(qū)（圖３中，脆性斷裂區(qū)１、脆性斷裂區(qū)２），無(wú)宏觀塑性變形，斷口粗糙，一側(cè)與早期缺陷通過淺灰色斷裂區(qū)（圖３中，韌性斷裂區(qū)１）貫通。另一側(cè)銀灰色斷口（圖３中，韌性斷裂區(qū)２）可見撕裂形貌，通過撕裂紋路方向可推斷，由深灰色脆性斷裂區(qū)起裂。使用蔡司ＥＶＯ１８掃描電鏡和牛津Ｘ－Ｍａｘ２０Ｘ射線能譜儀對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察與分析，對(duì)脆性斷裂區(qū)１、脆性斷裂區(qū)２進(jìn)行放大，可見在兩斷裂區(qū)內(nèi)均存在密集的夾雜物，如圖４（ａ）和（ｂ）。對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁內(nèi)同樣存在較多夾雜物，如圖４（ｃ）。對(duì)夾雜物進(jìn)行５００倍放大其形貌如圖４（ｄ）和（ｅ）所示，可見夾雜物與周圍組織存在較大空隙，夾雜物附近組織存在解離和韌窩混合斷裂形貌?？赏茢鄪A雜物與原始組織結(jié)合力不均勻，存在應(yīng)力集中。早期缺陷在集中應(yīng)力的作用下，首先在夾雜物與基體之間產(chǎn)生或夾雜物本身萌生，導(dǎo)致早期微裂紋形成，加速了鋼的脆性破壞過程［２］。脆性斷口表面未產(chǎn)生明顯氧化，可見并未產(chǎn)生早期缺陷開放性缺陷。如圖６所示，對(duì)裂紋源２處的的夾雜物進(jìn)行能譜分析，通過能譜分析可以測(cè)出夾雜物中各元素的含量如表２所示，通過夾雜物中元素定量分析初步判定在裂紋源２上觀察到的夾雜物主要為Ｎａ２Ｏ·ＭｇＯ·ＳｉＯ２·ＣａＯ復(fù)合夾雜物，在斷面中分布無(wú)規(guī)律。在裂紋源１和裂紋源２斷口上觀察到密集分布的不變形鋁硅酸鹽（莫來(lái)石）３Ａｌ２Ｏ３·２ＳｉＯ２為脆性?shī)A雜物，硬度１５００ＨＶ。由于脆性?shī)A雜物的線膨脹系數(shù)較鋼材?。郏常?，當(dāng)冷卻時(shí)，金屬收縮量大，夾雜物的與鋼基體間產(chǎn)生間隙，破壞了金屬的連續(xù)性［４］，在密集分布的脆性?shī)A雜物周圍便產(chǎn)生張應(yīng)力［５］［６］，夾雜物越大、越多形成的張應(yīng)力愈大，產(chǎn)生的危害也愈嚴(yán)重。

１．２化學(xué)成分分析

使用移動(dòng)式直讀光譜儀對(duì)清潔處理后的拉桿殘骸的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果與４５號(hào)鋼的化學(xué)成分參數(shù)對(duì)比如表３所示。通過對(duì)比可以看出斷裂拉桿中各元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，僅碳元素含量接近極限值，碳元素的含量增加，會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度提高，同時(shí)會(huì)對(duì)塑性、韌性和材料焊接性能造成不良影響，本文研究的斷裂拉桿均為折彎冷成型，不存在焊接成型，所以可以忽略碳元素過高對(duì)拉桿斷裂的影響［７］。

１．３力學(xué)性能分析

斷裂轉(zhuǎn)向拉桿調(diào)整管使用的原材料是ＧＢ／Ｔ８１６２—２０１８中４５號(hào)鋼結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，由于失效調(diào)整管已無(wú)法制取拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)選取了與轉(zhuǎn)向拉桿調(diào)整管同批次入庫(kù)的４５號(hào)結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管制取拉伸試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表４。其檢測(cè)數(shù)據(jù)符合ＧＢ／Ｔ８１６２—２０１８中４５號(hào)鋼力學(xué)性能規(guī)定。１．４硬度分析據(jù)ＧＢ６９９其硬度范圍為不大于ＨＢ２２９（大約為２０．３ＨＲＣ，對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度約７７０ＭＰａ），使用洛氏硬度儀在金相試樣上每隔５ｍｍ取樣檢測(cè)硬度，結(jié)果如表５所示，硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)值，與實(shí)驗(yàn)抗拉強(qiáng)度結(jié)果相符。

１．５金相分析

在失效調(diào)整管的圓管部分取１５ｍｍ×８ｍｍ的條狀試樣制成金相試樣，浸蝕劑采用４％的硝酸酒精溶液，使用光學(xué)顯微鏡觀察失效材料組織。如圖７（ａ）和所示，斷裂材料組織為鐵素體和珠光體，材料為符合正火態(tài)未作調(diào)質(zhì)處理，如圖７（ｂ）所示為放大５００倍的金相組織，可見白色網(wǎng)狀的鐵素體和珠光體，組織大小不均，組織中未發(fā)現(xiàn)符合ＧＢ１９７９—２００１《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》中夾雜物、疏松等缺陷，由此可見非金屬夾雜物的在圓管段并未有分布。

２結(jié)論

通過對(duì)斷裂調(diào)整桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析，結(jié)果表明，調(diào)整桿的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合相關(guān)材料規(guī)定，雖然材料整體硬度略高，金相組織不夠優(yōu)良，還不足以引起斷裂。調(diào)整桿斷面存在早期疲勞缺陷，但疲勞斷面形貌擴(kuò)展區(qū)范圍較小，并未引起最終斷裂，僅減小工件的承載面積，同時(shí)也說明調(diào)整桿設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度不足。通過顯微觀察材料中密集分布著不變形鋁硅酸鹽脆型夾雜物，夾雜物與原始組織存在間隙，導(dǎo)致調(diào)整桿承載力進(jìn)一步降低，脆性斷裂區(qū)間在扭轉(zhuǎn)力的作用下，瞬間產(chǎn)生脆性斷裂向兩側(cè)擴(kuò)展，與初始缺陷貫通，并最終撕裂，是失效斷裂的源區(qū)。針對(duì)以上情況，建議采取以下改進(jìn)措施：