李迎超,劉鵬鵬,岳宗豪,石海琳

(泛亞汽車技術中心有限公司,上海 ２０１２０１)

摘 要:某汽車用鋼支架,在耐久道路試驗過程中發生斷裂失效.通過化學成分分析、靜拉伸試驗、金相檢驗和斷口分析,對比了耐久道路試驗的失效件和合格件,分析了該鋼支架的斷裂原因.

結果表明:失效支架材料中的碳含量很低,材料的晶界強度較弱;支架斷裂部位發生了較大沖壓形變,導致應力較大;二次加工脆性是支架沿晶疲勞斷裂的根本原因.

關鍵詞:支架;耐久道路試驗;疲勞斷裂;碳含量;二次加工脆性

中圖分類號:TG１４２．１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３５３Ｇ０４

某汽車用鋼支架設計材料為國內常用的日本冷軋鋼板,牌號JISG３１４１ＧSPCC[１],厚度２ mm.該支架在耐久道路試驗過程中發生了斷裂失效,斷裂部位為９０°折彎部位,如圖１(a)中圓圈所示.同樣的耐久道路試驗中,另一支架１００％通過了試驗,如圖１(b)所示,左側為耐久試驗合格件,右側為耐久試驗失效件,可見失效件底部托板已完全斷裂.

筆者分別從失效件和合格件支架上取樣,進行了化學成分分析、靜拉伸性能測試和金相檢驗,以查找導致支架斷裂失效的根本原因,防止類似失效事件的再次發生.

１ 理化檢驗

１．１ 化學成分分析

使用碳硫分析儀及直讀光譜儀對支架進行化學成分分析,結果如表１所示.除JISG３１４１－２００５要求的元素含量外表１中也列出了其他主要影響鋼板性能的元素含量.由結果可見,失效件和合格件支架化學成分均符合標準要求,但碳含量有顯著區別,失效件的碳含量已屬于超低碳無間隙原子鋼(InterstitialFreeSteel,簡稱IF鋼)的范疇.

１．２ 靜拉伸試驗

失效件和合格件支架的靜拉伸試驗結果如表２所示.雖然兩者的抗拉強度都未達到標準要求,但只是略低于標準值,且合格件的抗拉強度更低,由此判斷材料強度偏低不是導致其斷裂失效的原因.失效件和合格件的斷后伸長率都超過了５０％,應該不是普通的SPCC 冷軋鋼板,而更接近具有超高塑性和深沖性能的IF鋼[２].

１．３ 金相檢驗

從失效件上接近失效部位及合格件上同樣位置按相同方向取樣,研磨、拋光后使用４％(體積分數)硝酸酒精溶液進行侵蝕.使用徠卡光學顯微鏡觀察對比了兩個試樣,其顯微組織形貌如圖２所示,均為鐵素體,未發現異常組織.

１．４ 斷口分析

使用掃描 電 鏡 觀 察 失 效 件 支 架 的 斷 口,其 宏觀和微觀形貌如圖３所示.可見斷口左右側均有斷裂起源點,屬 多 點 起 源 的 疲 勞 斷 口. 斷 口 最 大的特點是以沿 晶 形 貌 為 主,很 多 細 小 的 疲 勞 輝 紋尺寸不足１μm,沿 著 晶 面 向 前 擴 展,如 圓 圈 中 所示形貌.

據此可以判斷,斷口屬于在小應力下多點起源的高周疲勞斷口.斷口部位材料的晶間結合力極為薄弱,在極小的應力下裂紋并未直接穿晶向前,而是選擇更曲折地沿晶界發展.

２ 分析與討論

在車輛行駛過程中該支架主要承受上下振動,電腦輔助工程 CAE(ComputerAidedEngineering)應力分析如圖４所示,可見斷裂部位屬于應力最大區域(如圓圈所示).根據理化檢驗結果可知,失效件材料與合格件的接近,主要區別在于合格件的碳含量比失效件的高出很多.而斷后伸長率超過５０％的鋼材會出現沿晶斷口,甚至可見細小的疲勞輝紋沿晶界擴展,這樣脆弱的晶界結合力應該與二次加工脆性有關.

由于超低碳的IF鋼晶界強度較弱,在沖壓成型后,鋼板具有一定的內應力,受外力作用容易產生晶間斷裂現象,即二次加工脆化.沖壓成型應變越大,對應的內應力也越大,其脆化趨勢也越嚴重[３].二次加工脆性一般與低溫也有關系,特別是磷元素易在晶界偏析,更容易造成低溫脆性的增加[４].不過該支架材料的磷含量極低,且失效件的更低,因此該失效事件應與磷元素關系不大.冬季道路試驗的低溫,也增加了塑性變形位錯開動的阻力.IF鋼板進行二次沖壓成型時,位錯在成團低能晶界處運動不受阻擋,而快速移動到高能隨機晶界處時受到阻礙,位錯大量在此塞積,引起沿晶斷裂,這是產生二次加工脆性的重要原因[５].

失效件的碳含量僅為 ０．００８％(質量分數),按上述機理極易發生二次加工脆斷.合格件支架的碳含量較高,二次加工脆化的傾向較低,因此在道路試驗中未發生開裂.而對于未經過沖壓變形的區域,比如從失效件上取樣的拉伸試樣,其室溫斷后伸長率超過了５０％,斷口也全部呈韌窩形貌,如圖５所示,進一步說明失效是因為斷裂部位經過塑性加工 后,在一定條件下發生的沿晶脆斷. ３ 結論及建議 失效件的斷裂部位進行了 ９０°的沖壓折彎,發 生了較大的塑性變形.在殘余內應力、位錯塞積等 因素的綜合作用下,支架因二次加工脆性而發生沿 晶疲勞斷裂. 建議改用碳含量高于 ０．０１％(質量分數)的非 IF鋼板[６].支架零件的形狀并不復雜,不必使用高 深沖性能的IF鋼板,按原設計使用普通的SPCC冷 軋鋼板即可滿足成型要求. 由于IF鋼存在二次加工脆化的問題,因此在零 件設計應用中,如確實需要使用IF 鋼,應盡量降低 沖壓變形部位的受載.

３ 結論及建議

失效件的斷裂部位進行了 ９０°的沖壓折彎,發生了較大的塑性變形.在殘余內應力、位錯塞積等因素的綜合作用下,支架因二次加工脆性而發生沿晶疲勞斷裂.

建議改用碳含量高于 ０．０１％(質量分數)的非IF鋼板[６].支架零件的形狀并不復雜,不必使用高深沖性 能的IF鋼板,按原設計使用普通的SPCC冷軋鋼板即可滿足成型要求.

由于IF鋼存在二次加工脆化的問題,因此在零件設計應用中,如確實需要使用IF 鋼,應盡量降低沖壓變形部位的受載.

來源:材料與測試網