汽车门限位器限位臂失效分析

韦贤毅 万永红 蓝先 李保森 甘柳忠545007) (上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州

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OM SEM摘要:通过光谱仪、 、硬度计、和能谱仪等设备对断裂的汽车车门限位器拉杆臂的化学成分、显微组织、显微硬度和微区化学成分及断口形貌进行表征,分析其断裂原因。结果QSTE420TM + MNS表明, 钢的组织为铁素体 珠光体,在失效件断口截面发现长条状的 夹杂物沿MNS MNS着带状组织分布,裂纹沿着 夹杂物扩展。钢中过多的长条状 夹杂物是导致裂纹萌生和扩展的主要原因,最终导致限位臂断裂。

MNS QSTE420TM关键词:失效分析 夹杂 限位臂 钢TG142.1+3 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180071中图分类号: 文献标识码:

1 前言

车门限位器是限制车门打开角度的构件,是汽车中重要的零部件[1]。汽车门限位器既可以限制车门的最大开度,防止车门打开过大导致车门外板和车体发生碰撞;又可以在需要时使车门保持一定的开启度,不会使门自动关闭。现代汽车中常用的限位器有拉杆限位器和扭杆弹簧限位器等[2]。目前国内对于门限位器失效的研究报道较少,桑霏[3]等通过力学性能和显微硬度等测试手段研究了门限位器限位臂断裂的原因。某试验车门限位器在路试中发生断裂失效,本文通过显微组织观察和能谱分析等手段,研究门限位器限位臂裂纹萌生和扩展的要因,对门限位器材料的显微组织控制起到一定的指导作用[4-7]。

2 试验检测与分析 2.1 检测方法

对失效件试样经过线切割机切取断裂部位, LEICA DM6000M磨制抛光侵蚀后使用 光学显微镜LEICA M205A进行显微组织观察;采用 立体体视显微镜进行宏观断口形貌观察;采用日本日立HITACHI Su70扫描电镜进行显微组织及断口形貌观察,对钢中夹杂进行能谱微区成分分析;采用HVS-1000显微硬度仪进行显微硬度测试。

2.2 宏观形貌观察

1

开裂试样形貌如图 所示,门限位器失效位置位于开孔处,断裂面沿宽度最小方向扩展,零件开孔处的应力集中比其他区域严重。断裂处的有效截面较小,受到的应力最大,容易在此处失效。

2.3 材质检测

QSTE420TM钢属于酸洗热轧结构钢,是常用的1.8 mm[碳锰汽车结构钢,一般使用厚度不小于 8,9,10]。

通过光电直读光谱仪测定零件材料的化学成分,如1 QSTE420TM Q/BQB310-2014表 所示。 钢成分符合QSTE420TM ≥420 MPA,要求。 材料的屈服强度 抗拉480- 620 MPA 5强度为 。通过对试样进行 次维氏硬180 HV, 2 GB/度的测量,平均值为 如表 所示,根据T33362-2016 575 MPA,查表换算的材料强度大约为Q/BQB310-2014强度符合 要求。

2.4 显微组织分析

用电火花线切割机从样品断口处截取金相试4%样,经研磨抛光后,用 硝酸酒精腐蚀后观察金相2a GB/T形貌。图为试样的夹杂物金相形貌,按照10561- 2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行评定,钢中夹杂物主要为B D 2b类(氧化铝类)和 类(球状氧化物类)。图 为剖面裂纹处的金相形貌,样品的基体组织主要是+铁素体 珠光体,颗粒状的珠光体组织主要分布在2c铁素体晶界处。图 为试样厚度边部金相形貌, ,厚度边缘有少量的白亮的纯铁素体组织形貌 说明试样的边缘存在轻微的脱碳现象,脱碳层深度在25 μm 2d左右。图 为试样厚度中心处的金相形貌,试样厚度中心存在偏析现象,带状组织等级为2级。从图中观察到裂纹沿偏析带扩展的现象,同 时还在偏析上发现类似于条状夹杂物的存在,夹杂物从断口表面一直往内部断续分布。

2.5 断口形貌分析

3a 3b图 和图为拉杆臂断口的宏观形貌,断口中部有明显的扩展裂纹,裂纹从内孔表面萌生并3a向内部扩展。图断口呈现疲劳辉纹形貌,疲劳源位于内孔表面裂纹处,贝纹线从左向右扩展。3b图的断口没有明显的宏观贝纹线,断口中存在3c一些细条纹,但是并不是疲劳条纹。图 为断口

的扫描电镜形貌,图中深色裂缝为裂纹萌生扩展后在零件受力过程中被反复挤压形成的平面。图3d为条纹扫描电镜下的放大图,图中条纹间断口

Image tool不平整,存在少量的韧窝。运用 软件统

20 μm,计图中条纹的平均间距为 说明此时裂纹的扩展速度较快。而条纹的扩展方向与主裂纹方向不一致,推断是在较大应力状态下,裂纹沿薄弱的垂直于轧制的方向扩展,从而形成与主裂纹扩展方向垂直的条纹。

2.6 裂纹扩展及能谱分析

4a

剖面试样裂纹形貌如图 所示,可以看出,裂纹为穿晶扩展,说明材料的基体强度较高,不是脆性断裂。同时,还可以发现裂纹中存在长条状夹4b杂物。对夹杂物进行能谱分析,从图 的能谱图S Mn Fe可以看出,能谱的波峰为 、 、 元素,从而可以MNS判断长条状夹杂物为 夹杂。对剖面上未开裂处的长条状夹杂物也进行了能谱分析,结果如图4c 4d MNS

和图 所示,夹杂物也为 夹杂。说明钢中分布较多的长条状夹杂物,是导致试样裂纹萌生扩展,最终导致试样失效的主要原因。对钢中带

4e角的颗粒状夹杂进行能谱测试,结果如图 和图4f Al Ca O所示,夹杂物的主要成分是 、 、 等,确定为氧化铝类夹杂。

3 分析与讨论

通过光谱成分分析,材料的化学成分符合国家标准要求。通过显微硬度测试可知,材料的硬度值也符合要求,说明材料的强度达标。拉杆臂的断裂位置位于开孔处,构件此处的有效横截面积最小,因此所受到的应力强度最高。从宏观断口形貌可以看出,裂纹萌生于开孔内壁半厚度处,在拉应力的作用下,裂纹开始往孔的径向扩展。

3a图为先断裂的一侧断口,可以看出宏观疲劳断

3b口的形貌;图 为后断裂一侧的断口,由于应力增加,裂纹扩展速率更快,所以疲劳断口的贝纹线形貌已不明显。从断口截面的金相组织可以看出, +钢材的组织主要为铁素体 少量珠光体,钢中存在2级的带状组织。在截面的半厚度处可以看到明

显的裂纹和长条状夹杂。通过扫描电镜和能谱仪

MNS分析可知,钢中长条状的夹杂物为 夹杂,同时MNS

夹杂沿带状组织分布。裂纹在夹杂物处萌生扩展,最终导致零件断裂失效。有学者研究表明,一般情况下,钢中硫化锰含

MNS量未能使 以初始相的形式析出,而是在钢液凝固过程中,由于在合金凝固过程中,溶质元素和

Mn S非金属夹杂富集于晶界,导致 、等元素在树枝

MNS MNS晶前端富集,并以 的形式析出[11- 14]。而 为软质相,在轧制过程容易沿轧制方向被拉长,变成长条状。而后期的热处理工艺也很难使之溶解[9]。

[15] MNS 3文献 说明,钢中的 夹杂按形貌可以分为种,其中长条状的夹杂对材料性能的危害最大。由于夹杂物与金属基体的弹性模量和膨胀系数不同,在受力过程中容易在夹杂物的尖角处产生应力集中,甚至产生微裂纹[16,17]。当夹杂物大到一定的尺寸时,夹杂物与基体为非共格关系,与基体的结合力较低,容易成为裂纹扩展的通道,降低材料的疲劳强度[18]。因此,在冶炼过程中要严格控制钢

S水中元素的含量,同时要控制要钢水的凝固过

Mn S程,避免造成 、等元素的富集。

4 结束语

a.通过断口剖面组织观察发现钢中存在沿轧MNS制产生的带状组织分布的 夹杂,长条状的MNS夹杂恶化了钢的力学性能,成为裂纹萌生和扩展的通道,从而导致门限位器限位臂在额定寿命内失效。b. QSTE420TM钢在冶炼过程中,需要严格控S制 元素的含量和夹杂物的尺寸大小,从而提高零件的寿命。

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图2 试样显微组织金相形貌

图3 限位臂断口形貌

图1 失效门限位器宏观形貌

图4 夹杂物扫描电镜组织形貌及能谱图

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