汽车转向拉杆调整管断裂失效探讨

精品文档-下载后可编辑汽车转向拉杆调整管断裂失效探讨转向拉杆是转向系统重要的零部件，它的工作状态直接影响车辆操纵的稳定性以及行驶的安全性。４５号钢的汽车转向纵拉杆前段调整管在爬坡转向过程中发生了断裂。断裂位置在调整杆的螺纹处发生，断口较为平齐，与拉杆轴向垂直，如图１所示。为了防止此类事故再次发生，对断裂的拉杆调整管断口进行了失效分析。图１断裂调整杆图２调整管结构示意图转向纵拉杆前段调整管材料为４５号钢材质ＧＢ／Ｔ８１６２—２０１８的无缝钢管，根据标准中查得，钢管为正火态供货，直接加工使用未作热处理，工件结构示意图见图２。制造工艺为：原材料下料—机械加工—表面处理—装配成品。

１实验与分析

１．１断口分析

使用干燥气流和纤维软刷对断口进行清理，清理后断口表面的宏观形貌如图３所示，从图中可以看出：断口存在早期缺陷，缺陷处存在氧化色及疲劳条带，通过疲劳条带方向可推断缺陷起源于调整杆外螺纹根部［１］，向钢管心部扩展，早期缺陷宽度仅２．３ｍｍ，扩展区范围较小，且没有瞬时断裂区，因此，早期缺陷仅造成调整管强度较低，并未直接引起断裂。还有两处灰黑色圆弧状的脆性断裂区（图３中，脆性断裂区１、脆性断裂区２），无宏观塑性变形，断口粗糙，一侧与早期缺陷通过浅灰色断裂区（图３中，韧性断裂区１）贯通。另一侧银灰色断口（图３中，韧性断裂区２）可见撕裂形貌，通过撕裂纹路方向可推断，由深灰色脆性断裂区起裂。使用蔡司ＥＶＯ１８扫描电镜和牛津Ｘ－Ｍａｘ２０Ｘ射线能谱仪对断口进行微观观察与分析，对脆性断裂区１、脆性断裂区２进行放大，可见在两断裂区内均存在密集的夹杂物，如图４（ａ）和（ｂ）。对钢管内壁进行观察，发现内壁内同样存在较多夹杂物，如图４（ｃ）。对夹杂物进行５００倍放大其形貌如图４（ｄ）和（ｅ）所示，可见夹杂物与周围组织存在较大空隙，夹杂物附近组织存在解离和韧窝混合断裂形貌。可推断夹杂物与原始组织结合力不均匀，存在应力集中。早期缺陷在集中应力的作用下，首先在夹杂物与基体之间产生或夹杂物本身萌生，导致早期微裂纹形成，加速了钢的脆性破坏过程［２］。脆性断口表面未产生明显氧化，可见并未产生早期缺陷开放性缺陷。如图６所示，对裂纹源２处的的夹杂物进行能谱分析，通过能谱分析可以测出夹杂物中各元素的含量如表２所示，通过夹杂物中元素定量分析初步判定在裂纹源２上观察到的夹杂物主要为Ｎａ２Ｏ·ＭｇＯ·ＳｉＯ２·ＣａＯ复合夹杂物，在断面中分布无规律。在裂纹源１和裂纹源２断口上观察到密集分布的不变形铝硅酸盐（莫来石）３Ａｌ２Ｏ３·２ＳｉＯ２为脆性夹杂物，硬度１５００ＨＶ。由于脆性夹杂物的线膨胀系数较钢材小［３］，当冷却时，金属收缩量大，夹杂物的与钢基体间产生间隙，破坏了金属的连续性［４］，在密集分布的脆性夹杂物周围便产生张应力［５］［６］，夹杂物越大、越多形成的张应力愈大，产生的危害也愈严重。

１．２化学成分分析

使用移动式直读光谱仪对清洁处理后的拉杆残骸的化学成分进行检测，化学成分检测结果与４５号钢的化学成分参数对比如表３所示。通过对比可以看出断裂拉杆中各元素的含量均在标准要求的范围内，仅碳元素含量接近极限值，碳元素的含量增加，会导致材料的强度和硬度提高，同时会对塑性、韧性和材料焊接性能造成不良影响，本文研究的断裂拉杆均为折弯冷成型，不存在焊接成型，所以可以忽略碳元素过高对拉杆断裂的影响［７］。

１．３力学性能分析

断裂转向拉杆调整管使用的原材料是ＧＢ／Ｔ８１６２—２０１８中４５号钢结构用无缝钢管，由于失效调整管已无法制取拉伸试验，试验选取了与转向拉杆调整管同批次入库的４５号结构用无缝钢管制取拉伸试样，实验结果见表４。其检测数据符合ＧＢ／Ｔ８１６２—２０１８中４５号钢力学性能规定。１．４硬度分析据ＧＢ６９９其硬度范围为不大于ＨＢ２２９（大约为２０．３ＨＲＣ，对应抗拉强度约７７０ＭＰａ），使用洛氏硬度仪在金相试样上每隔５ｍｍ取样检测硬度，结果如表５所示，硬度略高于标准值，与实验抗拉强度结果相符。

１．５金相分析

在失效调整管的圆管部分取１５ｍｍ×８ｍｍ的条状试样制成金相试样，浸蚀剂采用４％的硝酸酒精溶液，使用光学显微镜观察失效材料组织。如图７（ａ）和所示，断裂材料组织为铁素体和珠光体，材料为符合正火态未作调质处理，如图７（ｂ）所示为放大５００倍的金相组织，可见白色网状的铁素体和珠光体，组织大小不均，组织中未发现符合ＧＢ１９７９—２００１《结构钢低倍组织缺陷评级图》中夹杂物、疏松等缺陷，由此可见非金属夹杂物的在圆管段并未有分布。

２结论

通过对断裂调整杆进行实验及分析，结果表明，调整杆的化学成分、力学性能均符合相关材料规定，虽然材料整体硬度略高，金相组织不够优良，还不足以引起断裂。调整杆断面存在早期疲劳缺陷，但疲劳断面形貌扩展区范围较小，并未引起最终断裂，仅减小工件的承载面积，同时也说明调整杆设计疲劳强度不足。通过显微观察材料中密集分布着不变形铝硅酸盐脆型夹杂物，夹杂物与原始组织存在间隙，导致调整杆承载力进一步降低，脆性断裂区间在扭转力的作用下，瞬间产生脆性断裂向两侧扩展，与初始缺陷贯通，并最终撕裂，是失效断裂的源区。针对以上情况，建议采取以下改进措施：