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浏览:- 发布日期:2020-09-10 15:20:41【

耐久道路试验中钢支架断裂原因分析

李迎超,刘鹏鹏,岳宗豪,石海琳

(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201)

    摘 要:某汽车用钢支架,在耐久道路试验过程中发生断裂失效.通过化学成分分析、静拉伸试验、金相检验和断口分析,对比了耐久道路试验的失效件和合格件,分析了该钢支架的断裂原因.结果表明:失效支架材料中的碳含量很低,材料的晶界强度较弱;支架断裂部位发生了较大冲压形变,导致应力较大;二次加工脆性是支架沿晶疲劳断裂的根本原因.

关键词:支架;耐久道路试(shi)验;疲(pi)劳断裂;碳含量;二次(ci)加工脆性

中(zhong)图分类(lei)号(hao):TG142.1 文献标志码:B 文章编(bian)号(hao):1001G4012(2017)05G0353G04

AnalysisonFractureReasonsoftheSteelBracketintheDurabilityRoadTest

LIYingchao,LIUPengpeng,YUEZonghao,SHIHailin

(PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201,China)

Abstract:Asteelbracketusedinavehiclefracturedduringthedurabilityroadtest.Thefailurepartandthe

qualifiedpartinthedurabilitytestwerecompared,andthefracturereasonswereanalyzedbychemicalcomposition

analysis,statictensiletest,metallographicexaminationandfractureanalysis.Theresultsshowthat:thecarbon

contentinthematerialofthefailurebracketwasextralow,andgrainGboundarystrengthofthematerialwasweak;

thelargepressingdeformationhappenedtothefracturepositionofthebracket,whichledtothelargestress;

secondaryworkingembrittlementwastherootreasonoftheintergranularfracturefailureofthebracket.

Keywords:bracket;durabilityroadtest;fatiguefracture;carboncontent;secondaryworkingembrittlement


某汽车用钢支架设计材料为国内常用的日本冷

轧钢板,牌号JISG3141GSPCC

    [1],厚(hou)度2 mm.该支(zhi)(zhi)架(jia)在耐久道路试验(yan)过(guo)程中发生了断(duan)裂(lie)失(shi)(shi)效,断(duan)裂(lie)部(bu)位为90°折弯(wan)部(bu)位,如图(tu)1(a)中圆圈所示(shi)(shi).同样(yang)的耐久道路试验(yan)中,另(ling)一支(zhi)(zhi)架(jia)100%通(tong)过(guo)了试验(yan),如图(tu)1(b)所示(shi)(shi),左侧为耐久试验(yan)合(he)格件(jian)(jian),右(you)侧为耐久试验(yan)失(shi)(shi)效件(jian)(jian),可见失(shi)(shi)效件(jian)(jian)底部(bu)托板已(yi)完全(quan)断(duan)裂(lie).笔者分(fen)别从(cong)失(shi)(shi)效件(jian)(jian)和(he)合(he)格件(jian)(jian)支(zhi)(zhi)架(jia)上取样(yang),进行了化(hua)学成分(fen)分(fen)析、静拉伸性能(neng)测试和(he)金(jin)相检(jian)验(yan),以查(cha)找导致(zhi)支(zhi)(zhi)架(jia)断(duan)裂(lie)失(shi)(shi)效的根本原因,防(fang)止类似失(shi)(shi)效事件(jian)(jian)的再次发生.

1 理化检验

1.1 化学成分分析

    使用碳(tan)(tan)硫分(fen)(fen)析仪(yi)及直读光谱仪(yi)对支架进行化学(xue)成分(fen)(fen)分(fen)(fen)析,结果如表1所(suo)示.除JISG3141-2005要求的(de)元(yuan)素含量(liang)表1中(zhong)也列(lie)出了其他主要影响钢(gang)板性能的(de)元(yuan)素含量(liang).由(you)结果可见,失(shi)效件(jian)和合格件(jian)支架化学(xue)成分(fen)(fen)均符合标准要求,但碳(tan)(tan)含量(liang)有显著区别,失(shi)效件(jian)的(de)碳(tan)(tan)含量(liang)已属于超低碳(tan)(tan)无间隙原子(zi)钢(gang)(InterstitialFreeSteel,简称IF钢(gang))的(de)范畴(chou).


表1 失效件和合格件的化学成分分析结果(质量分数)

图1 支架示意图及实物外观


1.3 金相检验

    从失效件上(shang)(shang)接近失效部位及合(he)格件上(shang)(shang)同样位置按相同方向取样,研磨、抛光后使用4%(体(ti)积分数)

硝酸(suan)酒精(jing)溶液(ye)进行(xing)侵蚀.使用徕卡光学显微镜观察对比了两(liang)个(ge)试样,其(qi)显微组织形貌如图2所示,均为

铁素体,未(wei)发(fa)现异常组织.

1.4 断口分析

    使用扫描 电 镜 观 察(cha) 失 效 件 支 架 的 断(duan)(duan) 口(kou)(kou),其 宏(hong)观和微观形(xing)貌如图3所示(shi).可(ke)见(jian)断(duan)(duan)口(kou)(kou)左右侧(ce)均有(you)断(duan)(duan)裂(lie)起源(yuan)(yuan)点(dian),属(shu) 多(duo)(duo) 点(dian) 起 源(yuan)(yuan) 的 疲 劳 断(duan)(duan) 口(kou)(kou). 断(duan)(duan) 口(kou)(kou) 最 大的特点(dian)是以(yi)沿(yan) 晶(jing)(jing) 形(xing) 貌 为 主(zhu),很(hen) 多(duo)(duo) 细 小(xiao)(xiao) 的 疲 劳 辉 纹尺寸不足1μm,沿(yan) 着 晶(jing)(jing) 面(mian) 向 前 扩 展,如 圆 圈 中(zhong) 所示(shi)形(xing)貌.据(ju)此可(ke)以(yi)判断(duan)(duan),断(duan)(duan)口(kou)(kou)属(shu)于在小(xiao)(xiao)应力下多(duo)(duo)点(dian)起源(yuan)(yuan)的高周疲劳断(duan)(duan)口(kou)(kou).断(duan)(duan)口(kou)(kou)部(bu)位材料的晶(jing)(jing)间结合(he)力极(ji)为

薄弱,在极小的应力下裂纹并未(wei)直接穿(chuan)晶向(xiang)前,而是选(xuan)择更曲折地沿晶界发展.

图2 失效件及合格件的显微组织形貌

图2 失(shi)效(xiao)件(jian)及合格件(jian)的(de)显微组织(zhi)形貌

Fig敭2 Microstructuremorphologyofthefailurepart

andthequalifiedpart

a thefailurepart b thequalifiedpart

2 分析与讨论

    在(zai)车(che)辆行(xing)驶过程中该支架主(zhu)要承受上下(xia)振动(dong),电脑辅(fu)助工(gong)程 CAE(ComputerAidedEngineering)应力(li)分析如图4所(suo)示(shi),可见断(duan)裂部位属于应力(li)最大(da)区(qu)域(如圆圈所(suo)示(shi)).根据理化检验结果可知,失(shi)效件(jian)(jian)材料与合(he)格件(jian)(jian)的接近,主(zhu)要区(qu)别(bie)在(zai)于合(he)格件(jian)(jian)的碳含量(liang)比(bi)失(shi)效件(jian)(jian)的高出很多.而(er)断(duan)后伸长(zhang)率超过50%的钢材会出现(xian)沿晶断(duan)口,甚至(zhi)可见细(xi)小的疲劳辉纹沿晶界扩(kuo)展,这(zhei)样

脆(cui)(cui)(cui)弱的晶界(jie)结合力(li)应该(gai)与(yu)二次加(jia)工(gong)脆(cui)(cui)(cui)性(xing)有关.由于(yu)超(chao)低碳的IF钢(gang)(gang)晶界(jie)强度较弱,在(zai)冲压成型后,钢(gang)(gang)板(ban)具有一(yi)定的内(nei)应力(li),受外力(li)作用(yong)容易(yi)产(chan)生晶间断裂(lie)现(xian)象,即二次加(jia)工(gong)脆(cui)(cui)(cui)化.冲压成型应变(bian)越大,对(dui)应的内(nei)应力(li)也越大,其脆(cui)(cui)(cui)化趋势也越严(yan)重[3].二次加(jia)工(gong)脆(cui)(cui)(cui)性(xing)一(yi)般(ban)与(yu)低温也有关系,特别是磷(lin)元(yuan)素易(yi)在(zai)晶界(jie)偏析,更容易(yi)造(zao)成低温脆(cui)(cui)(cui)性(xing)的增(zeng)加(jia)[4].不(bu)过

图3 失效件的断口形貌

图4 CAE应力分析结果


    该支架材料的磷含量极低,且失效件的更低,因此该失效事件应与磷元素关系不大.冬季道路试验的低温,也增加了塑性变形位错开动的阻力.IF钢板进行二次冲压成型时,位错在成团低能晶界处运动不受阻挡,而快速移动到高能随机晶界处时受到阻碍,位错大量在此塞积,引起沿晶断裂,这是产生二次加工脆性的重要原因[5].失效件的碳含量仅为 0.008%(质量分数),按上述机理极易发生二次加工脆断.合格件支架的碳  含(han)量较(jiao)高,二(er)次加(jia)工脆(cui)化(hua)的(de)倾向较(jiao)低(di),因(yin)此在道路(lu)试(shi)验(yan)中未发(fa)生(sheng)开裂.而对(dui)于未经过(guo)(guo)冲压变(bian)形(xing)的(de)区域,比如从失效件(jian)上取(qu)样(yang)的(de)拉伸试(shi)样(yang),其室温断后(hou)(hou)伸长率(lv)超(chao)过(guo)(guo)了50%,断口也全部(bu)呈韧(ren)窝(wo)形(xing)貌,如图5所示(shi),进一步说明失效是(shi)因(yin)为断裂部(bu)位(wei)经过(guo)(guo)塑性加(jia)工后(hou)(hou),在一定条件(jian)下发(fa)生(sheng)的(de)沿晶脆(cui)断.

图5 失效件拉伸试样的断口形貌

  


3 结论(lun)及建议

    失效件(jian)的(de)断裂(lie)部位进行了(le) 90°的(de)冲压(ya)折(zhe)弯(wan),发(fa)生(sheng)了(le)较大的(de)塑性(xing)变形(xing).在残余内应(ying)(ying)力、位错塞积(ji)等因素的(de)综(zong)合作用下(xia),支架因二次(ci)加工(gong)脆(cui)性(xing)而发(fa)生(sheng)沿(yan)晶(jing)疲劳断裂(lie).建议改(gai)用碳含量(liang)(liang)高于(yu) 0.01%(质量(liang)(liang)分数)的(de)非(fei)IF钢(gang)板(ban)[6].支架零件(jian)的(de)形(xing)状并不复杂,不必使用高深冲性(xing)能(neng)的(de)IF钢(gang)板(ban),按原设计使用普通的(de)SPCC冷轧钢(gang)板(ban)即可满足成型要(yao)求.由(you)于(yu)IF钢(gang)存在二次(ci)加工(gong)脆(cui)化的(de)问(wen)题,因此在零件(jian)设计应(ying)(ying)用中(zhong),如(ru)确实(shi)需要(yao)使用IF 钢(gang),应(ying)(ying)尽量(liang)(liang)降低冲压(ya)变形(xing)部位的(de)受载(zai).

(文章来源:材料(liao)与测试网- >  >  > pp.353

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