摘 要:某车辆在下线时发生横拉杆断裂失效.使用扫描电镜、光谱仪、硬度计等仪器设备对断 裂的横拉杆进行了失效分析,并利用二维有限元数值计算方法模拟了钢材冷挤压过程中心部裂纹 的形成过程.结果表明:该失效件是在冷挤压变形加工过程中受到了过大的载荷,内部产生了多处 开裂,使有效连接面积大幅减小,因而当车辆行驶时,横拉杆即发生断裂失效.
关键词:横拉杆;有限元分析;冷挤压;过载断裂;失效分析
中图分类号:U４６３;TG１４２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４６３Ｇ０３
某车型车辆正常下线,上前束减振带,过了三 格,无法前进.解析车辆,发现转向系统的横拉杆在 螺纹处断裂.检查断裂零件及周边相关零件,均未 发现撞击、磕碰痕迹,见图 １.横 拉 杆 与 转 向 机 相 连,是汽车转向系统的主要零件,是联系左右梯形臂 并使其 协 调 工 作 的 连 接 杆[１]. 该 横 拉 杆 材 料 为 ３０MnVS６非 调 质 钢,加 工 工 艺 如 下:冷 挤 压 成 型 (从?１６．５mm 加工到?１５mm)→回火去应力→球 销加工滚光→滚丝.为查明该横拉杆断裂的原因, 笔者对其进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 断口分析
断口分析包括宏观断口分析和微观断口分析,宏观断口分析以目视、放大镜及体视显微镜观察为主. 微观断口分析主要采用扫描电子显微镜观察[２].
１．１．１ 宏观断口分析
横拉杆在螺纹处断裂,断口明显分为 A和B两个 区域:经初步计算,外层区域 B约占整个断面面积的 １７％;A区的心部为断裂起始位置,即裂源,见图２.
１．１．２ 微观断口分析
采用ZeissEVO２５扫描电镜(SEM)观察,A 和B两个区域断口微观形貌都为韧窝,见图３和图４. 韧窝是金属延性断裂的主要微观特征[３].因此这两 个区域都为过载断裂.由此可见,该零件发生了两 次过载开裂.裂源在 A 区,因此 A 区第一次受外力 发生开裂,此时未完全断裂;当第二次受力时,A 区 裂纹继续扩展,发生完全断裂,该裂纹扩展区域就是 B区.
１．１．３ 心部裂纹分析
将断口附近的横拉杆杆部纵向剖开,见图５,发 现类似于断口形状的与断口平行的裂纹,见图 ６. 内部裂纹未断裂区域约占横拉杆横截面积的１８％, 见图７和图８,与前文断口分析中 B 区断口面积约 占整个断面面积分数１７％非常接近.由此推断,该 平行裂纹对应于断口 A 区,而裂纹未断裂区域对应 于断口 B区.
１．２ 有限元分析
有限元分析(FiniteElementAnalysis,FEA)利 用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工 况)进行模拟,已经成为解决复杂工程分析计算问题 的有效途径,例如材料的破坏与失效、裂纹扩展等. 采用二维有限元数值计算方法模拟钢材冷挤压过程 中心部位裂纹的形成过程(加载大载荷),图９显示了挤压棒材随着推进位移的变化,即裂纹产生的情 况.从图９可以发现,钢材冷挤压加载大载荷时,心 部所产生的裂纹与失效件的形状相同.
１．３ 硬度测试
使用 WilsonUH７５０万能全自动硬度计测试横 拉杆硬度,结果见表１,满足相关技术要求.
１．４ 化学成分分析
横拉杆材料为３０MnVS６非调质钢,用 Spectro M８光谱仪分析其化学成分,结果见表２,亦满足相 关技术要求.
２ 综合分析
横拉杆断口附近发现类似于断口形状的与断口 平行的月牙形裂纹,说明在车辆启动前该横拉杆就 已存在月牙形裂纹,该裂纹使横拉杆的有效连接面 积大幅减小,仅为１７％ 左右.因此当车辆开动时, 横拉杆受力发生断裂.用二维有限元数值计算方法 模拟钢材冷挤压过程中心部位裂纹的形成过程,结 果显示当钢材冷挤压加载大载荷时,心部所产生的 裂纹也是多个月牙形,与失效件的形状相同.由此 推断横拉杆心部月牙形裂纹是在冷挤压变形加工工 序中,受到过大的载荷而导致内部产生的多处开裂. 检查横拉 杆 加 工 工 艺,杆 体 从 ?１６．５ mm 加 工 到 ?１５mm 时正是使用了冷挤压变形这一工艺,因此 应该是在这一工艺过程中发生异常导致了横拉杆内 部开裂.
３ 结论及建议
(１) 横 拉 杆 杆 体 在 从 ?１６．５ mm 加 工 到 ?１５mm的冷挤压变形工序中,由于加载载荷过大, 导致杆体心部产生了多个相互平行的月牙形裂纹, 有效连接面积大幅减小,当车辆启动时,裂纹二次扩 展,横拉杆断裂失效.
(２)将同批次的所有零件进行 X 射线检测,未 发现有类似的缺陷件.因此推断这是试模件,供应 商未将试模件丢弃.
(３)严格规定供应商废弃所有试模件,并在线 添加无损检测设备,对生产线上的零件做到１００％ 无损探伤.后续未再发生类似的失效事件.
参考文献:
[１] 张亦良,姜公锋,徐学东,等．汽车转向横拉杆断裂失 效分析[J]．北京工业大学学报,２０１０,３６(１０):１３１７Ｇ １３２３．
[２] 张涛,高 云 鹏,田 峰,等． 电 站 汽 动 给 水 泵 ０Cr１３Ni４Mo不锈钢主轴断裂失效分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１５,５１(１０):７２５Ｇ７２９．
[３] 张栋．失效分析[M]．北京:国防工业出版社,２００４．
文章来源——材料与测试网