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1、【汽車工業(yè)論文】重型汽車擺臂開裂原因分析
摘要:某重型汽車的一橋擺臂在服役期間發(fā)生開裂。通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、微觀分析、金相檢驗等方法,對擺臂的開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂,擺臂在鍛造過程中產(chǎn)生了折疊缺陷,折疊缺陷內(nèi)伴生夾雜及微裂紋,在工作應(yīng)力下折疊缺陷成為疲勞源,最終導(dǎo)致擺臂開裂。
關(guān)鍵詞:擺臂;鍛造;折疊缺陷;夾雜;微裂紋;疲勞開裂
一橋擺臂是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零件之一,其主要作用是將轉(zhuǎn)向拉桿的力傳遞至轉(zhuǎn)向節(jié)臂上,從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。某重型汽車一橋擺臂在服役期間發(fā)生開裂,該開裂一橋擺臂的材料為40Cr鋼,加工工序
2、為:下料→自由鍛→模鍛→噴砂→熱處理→機(jī)加工→表面噴漆。為查明該一橋擺臂開裂的原因,筆者對其進(jìn)行了檢驗和分析,以期避免此類事件的再次發(fā)生。
1理化檢驗
1.1宏觀檢查
開裂擺臂的宏觀形貌如圖1所示,可見開裂發(fā)生在折彎處,沿厚度方向兩側(cè)均可見開裂。開裂擺臂的表面孔位有裝配痕跡,其余部位未見嚴(yán)重的磕碰、擦傷等外來機(jī)械損傷。將擺臂的裂紋打開后觀察裂紋開裂面形貌,圖2為開裂斷面的宏觀形貌??梢娂t褐色物質(zhì)覆蓋的較不平坦區(qū)域為開裂斷面,其余斷面則是打開裂紋時切割形成的,開裂斷面貫通擺臂的厚度方向,并向內(nèi)擴(kuò)展15~20mm。開裂斷面距擺臂表面1~3mm區(qū)域分布
3、有較多小臺階,其余開裂斷面則呈典型的纖維狀,人字紋指向擺臂表面裂紋。
1.2化學(xué)成分分析
采用直讀光譜分析儀對開裂擺臂的化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果見表1。可見開裂擺臂的化學(xué)成分符合GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對40Cr鋼的成分要求。
1.3微觀分析
擺臂的開裂斷面經(jīng)拋光后,使用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕,其宏、微觀形貌如圖3所示,可見開裂斷面上富集小臺階的部位內(nèi)有一淺色近似扇形的區(qū)域。扇形區(qū)域的顯微組織形貌如圖4所示,可見其顯微組織為鐵素體+片狀珠光體+貝氏體,片狀珠光體輕微破碎。開裂擺臂正常區(qū)域的顯微組織為中等粗
4、細(xì)的回火索氏體+少量貝氏體+少量鐵素體,如圖5所示。在擺臂開裂斷面的次表面可見多條與開裂斷面平行的條帶狀缺陷,缺陷兩側(cè)較平滑并伴有明顯的脫碳,其內(nèi)部有斷續(xù)分布的夾雜及微裂紋,如圖6所示。
1.4金相檢驗
對同批次的未服役擺臂(對應(yīng)開裂擺臂的開裂處)進(jìn)行金相檢驗,試樣經(jīng)磨拋后的宏觀形貌如圖7所示??梢娫撎幍牧骶€呈“幾”字形分布,“幾”字開口朝向擺臂表面。在“幾”字開口處有線狀缺陷,該缺陷顏色較淺。在光學(xué)顯微鏡下觀察,可見“幾”字形缺陷兩側(cè)有輕微貧碳現(xiàn)象,且內(nèi)部有斷續(xù)分布的微孔洞、夾雜等,如圖8所示。
2分析與討論
由上述理化檢驗結(jié)果
5、可知,開裂擺臂的化學(xué)成分符合GB/T3077-2015對40Cr鋼的成分要求,且其顯微組織正常。開裂發(fā)生在擺臂的折彎處,在開裂面的次表面可見多條與開裂面近似平行的條帶狀缺陷,同批次未服役擺臂對應(yīng)開裂位置上的流線呈“幾”字形分布,表明該區(qū)域在壓應(yīng)力作用下發(fā)生了劇烈的塑性變形,“幾”字形開口處可見線狀缺陷。通過缺陷的微觀形貌,并結(jié)合擺臂的加工工藝可知,此缺陷為鍛造過程中產(chǎn)生的折疊缺陷。折疊缺陷破壞了擺臂的連續(xù)性,成為應(yīng)力集中源、裂紋源等,而且顯著降低擺臂的力學(xué)性能,導(dǎo)致擺臂在此處萌生裂紋,在正常服役過程中裂紋會逐漸擴(kuò)展。由調(diào)查可知,擺臂在噴砂結(jié)束后表面有肉眼可見的程度不一的缺陷,故對擺臂表面進(jìn)行了
6、補(bǔ)焊處理,斷口上富集的小臺階即為補(bǔ)焊所致。由檢驗結(jié)果可知,補(bǔ)焊未完全消除擺臂的折疊缺陷,且補(bǔ)焊所用焊條與母材成分有較大差異。當(dāng)擺臂出現(xiàn)折疊缺陷時可以通過合理的補(bǔ)焊工藝進(jìn)行修補(bǔ),但必須注意以下幾點(diǎn):補(bǔ)焊應(yīng)在擺臂熱處理之前;折疊缺陷應(yīng)進(jìn)行機(jī)械打磨,待完全消除后再進(jìn)行補(bǔ)焊;補(bǔ)焊時應(yīng)采用與母材成分相近的焊條。
3結(jié)論及建議
該開裂擺臂的開裂模式為疲勞開裂,擺臂在鍛造過程中產(chǎn)生了折疊缺陷,折疊缺陷內(nèi)伴生夾雜及微裂紋,在工作應(yīng)力下折疊缺陷成為疲勞源,最終導(dǎo)致擺臂開裂。建議優(yōu)化擺臂的鍛造工藝,選擇合適的折彎模具,以減少折疊缺陷的產(chǎn)生;對擺臂易產(chǎn)生折疊缺陷的部位進(jìn)行磁粉探傷檢測
7、,加強(qiáng)擺臂的質(zhì)量檢驗。
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