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汽车转向节开裂失效

来源:中国职称论文咨询网作者:kaiting时间:2018-05-22 12:05

  这篇汽车工程论文主要探讨了汽车转向节断口宏观形貌分析,汽车转向是汽车的重要零部件之一,论文研究了失效转向节开裂的原因,并给出了改进的建议,建议选用高品质的40Cr原材料,避免硫化物和氧化物夹杂的影响,可以提高40Cr汽车转向节力学性能。

汽车实用技术

  关键词:汽车工程论文,40Cr合金钢,先共析铁素体,失效分析

  汽车转向节作为汽车的零部件之一,起到转向和承载的作用,同时还承担着来自地面的冲击和车轮侧滑转向制动等产生的负荷,要求具有较高的强度和冲击韧性[1]。目前国内企业大多采用40Cr合金钢作为原材料,40Cr合金钢经调质后具有良好的综合力学性能,是使用最广泛的钢种之一[2]。传统的工艺是锻造成形,空冷后再重新加热退火(或正火),然后淬火再高温回火,最后得到组织均匀的回火索氏体。某公司生产的一批轻型轿车转向节在安装过程中,转向节连接销孔部位发生了开裂现象,且开裂件数较多。本文使用扫描电镜、直读光谱仪、显微硬度计等设备对失效件进行断口形貌观察、化学成分检测、硬度测试、金相组织观察,对失效转向节开裂的原因进行分析研究,找出原因并提出改进建议。

  1断口分析

  1.1断口宏观形貌分析

  对失效件的断口在未经任何清洁处理前进行全面的观察。观察发现,断口较为平整,断口边缘未发生明显塑性变形,呈现脆性开裂特征,如图1所示。

  1.2断口微观形貌分析

  对开裂连接套筒采用线切割机切割断口取样.采用SB-5200D超声波清洗设备清洗断口20min,使用捷克TESCAN-VEGA3-LMH扫描电镜进行扫描观察,断口形貌如图2所示。经观察,断口平齐,无明显变形撕裂痕迹,裂纹断口呈贝壳状,如图2(a)所示。由图2(b)可见明显的沿晶界开裂,为典型应力所导致的脆性开裂。

  2理化检验

  2.1材料成分分析

  在失效转向节的断口附近截取20mm×20mm×10mm试样,使用德国BrukerQ4170直读光谱仪检测其化学成分,检测结果见表1。结果表明,该批次转向节所选原材成分符合GB/T3077-2015《合金结构钢》标准要求。

  2.2显微硬度检测

  使用荷兰INNOVATESTMANUAL-400D型维氏硬度计对断口进行显微硬度检测,在断口附近位置测试5个点,显微硬度值见表2。由检测结果可知,其硬度范围为274.7~292.2HV1.0(对应硬度为26.4~28.8HRC),符合23~30HRC技术要求硬度值。

  2.3非金属夹杂物检验

  采用线切割在开裂工件截取横截面、纵截面试样,经过镶嵌、粗磨、细磨、抛光,在德国LeicaDM4000M型显微镜下观察非金属夹杂物,见图3。横截面形貌见图3(a),存在球状氧化物夹杂,按照GB/T10561-2005评级标准,评定为D类球状氧化物3.0级。纵截面形貌见图3(b),存在条状硫化物夹杂,按照GB/T10561-2005评级标准,评定为A类硫化物2.0级。40Cr合金钢转向节失效件内部存在较多非金属夹杂物,在材料受力变形时,这些杂质颗粒成为应力集中点,当应力值超过额定值时,会沿着杂质颗粒的尖端处产生微裂纹,直至最后断裂[3-4]。

  2.4金相组织分析

  采用线切割设备在开裂工件裂纹附近截取试样,经过镶嵌、粗磨、细磨、抛光,然后使用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样,在LeicaDM4000M型显微镜下进行金相组织观察,检验结果如图4和图5所示。40Cr合金钢正常调质后的组织应为均匀的回火索氏体,允许含有体积分数不超过3vol%的铁素体存在。失效试样的显微组织中铁素体含量较多且呈条状和针状分布(图3),初步判断为先共析铁素体,其产生的原因是由于介质的冷却性能不足,A1~A3线中停留时间较长,未能快速通过此区域,发生共析相变之前析出了铁素体而导致。

  对于调质件,先共析铁素体一般呈网状或条状,分布于晶界,使晶界弱化,易导致力学性能不合格。使用捷克TESCAN系列VEGA3LMH扫描电镜能谱仪分析裂纹处金相组织,如图5(a)、(d)所示开裂处存在较多的白色条状物,该白色条状物可能为沿晶界析出的铁素体。通过扫描电镜能谱仪检测,对图5(a)中失效转向节开裂处白色组织进行点扫描分析,元素成分见图5(c)所示。对图5(d)的微裂纹处白色条状组织进行点扫描,元素成分见图5(f)所示。从图5(c)、(f)中可以看出,该白色条状组织的化学成分为氧元素和铁元素,判断白色条状物为氧化铁和铁素体。由于晶界处较多铁素体的存在,导致晶界处的强度弱化,降低了材料塑性、冲击韧性和疲劳性能,导致基体强度明显下降,尤其是冲击韧性下降很多[5],成为导致转向节开裂的主要原因。

  3结论

  (1)该失效件化学成分符合国家标准GB/T3077-2015《合金结构钢》中40Cr合金钢的要求。(2)失效件的组织为回火索氏体+铁素体。针状和条状铁素体是在冷却过程中沿奥氏体晶界析出产生。较多铁素体的存在,大大降低材料的韧性和强度等力学性能,增加脆性,这是导致转向节连接销孔脆性开裂的主要原因。根据原有工艺,加大淬火液的流动性或更换淬火液介质,减少铁素体的含量,可提高转向节的力学性能。(3)失效件内部含有较多的氧化物和硫化物杂质缺陷,导致材料的塑性和强度下降,也增加了工件的开裂倾向,这是转向节连接销孔开裂的原因之一

  参考文献:

  [1]郑玉春,吴玉程,刘玉,等.40Cr汽车转向节锻造余热淬火工艺研究[J].热加工工艺,2004,33(3):47-48.

  [2]牛禧,张睿,许先果.40Cr高强螺栓断裂原因分析[J].热加工工艺,2012,41(20):217-218.

  [3]徐学春,张杰刚,谢葳,等.40Cr合金钢汽车转向节臂断裂失效分析[J].热加工工艺,2013,42(2):207-208.

  [4]王会强,邢艳秋,孙维连,等.空冷器低碳10钢管开裂分析和组织性能[J].材料热处理学报,2014,35(3):68-72.

  [5]吴.45钢曲柄调质组织中异常铁素体形成原因分析与改进[J].材料保护,2017,50(8):94-95.

  作者:王志超 孙维连 张淼 王会强 单位:河北农业大学 机电工程学院

  推荐阅读:《汽车实用技术》(月刊)创刊于2002年,经国家新闻出版总署正式批准,陕西省科学技术协会主管,陕西省汽车工程学会主办的国内外公开出版发行的应用技术类月刊。



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