乘用車行李廂蓋扭桿失效分析

甘柳忠，韋賢毅，萬永紅，藍(lán) 先，謝 寧

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

某車型行李廂蓋扭桿（材料為TDCrSi）在軟工裝交樣階段的耐久性試驗(yàn)中出現(xiàn)斷裂問題。扭桿的制備工藝如下：熱軋線材-酸洗-拉絲-油淬火-回火-檢測(cè)-成形加工-去應(yīng)力回火-電泳漆。行李廂蓋扭桿的結(jié)構(gòu)形式如圖1（a）所示。CAE分析表明扭桿彎角處為應(yīng)力集中處，見圖1（b）。失效扭桿的斷裂發(fā)生在彎角處，與CAE分析一致。

圖1 尾門扭桿的結(jié)構(gòu)及CAE分析結(jié)果

扭桿彈簧作為行李箱蓋的開啟輔助裝置，在其制造過程中需要控制扭桿質(zhì)量以避免發(fā)生斷裂等[1]失效現(xiàn)象。應(yīng)用于車型行李廂蓋的扭桿，需要滿足成分、表面脫碳、金相組織結(jié)構(gòu)、硬度與耐久性等技術(shù)要求，如表1所示。

表1 某車型行李廂蓋扭桿技術(shù)要求

采用斷口分析、金相檢驗(yàn)和硬度檢測(cè)等方法對(duì)2根斷裂扭桿（1號(hào)失效扭桿和2號(hào)失效扭桿）進(jìn)行失效分析。

1 檢測(cè)與分析

1.1 成分分析

采用OES光譜儀測(cè)量失效扭桿的化學(xué)成分（如表2所示），結(jié)果表明扭桿材料TDCrSi化學(xué)成分的實(shí)測(cè)值符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求（標(biāo)準(zhǔn)值Min和標(biāo)準(zhǔn)值Max所列即為《GB/T18983-2017淬火-回火彈簧鋼絲》對(duì)TDSiCr要求的范圍值）。

表2 行李廂蓋扭桿的化學(xué)成分分析（wt%）

1.2 斷口形貌

從圖2至圖4的宏觀形貌可知：2根失效扭桿的外表面存在損傷缺陷，并在斷口邊緣（扭桿表面）觀察到裂紋源。經(jīng)過對(duì)扭桿整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行追蹤，確認(rèn)表面損傷是在扭桿成形時(shí)工裝對(duì)扭桿表面進(jìn)行擠壓而形成壓痕，產(chǎn)生表面損傷缺陷。

圖2 1號(hào)失效扭桿的斷口形貌

圖3 1號(hào)失效扭桿裂紋源外表面

圖4 2號(hào)失效扭桿裂紋源處表面

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)裂紋源進(jìn)行觀察，可以觀察到裂紋源的微觀形貌，如圖5和圖6所示。裂紋從扭桿表面處的裂紋源開始，沿垂直表面方向呈射線狀向中心擴(kuò)展。

圖5 失效扭桿裂紋源處

圖6 失效扭桿裂紋源處的放大圖（裂紋源起于表面）

圖7和圖8可以觀察到失效扭桿的裂紋起始擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋，及其擴(kuò)展方向。

圖7 失效扭桿起始擴(kuò)展區(qū)（疲勞輝紋）

圖8 失效扭桿快速擴(kuò)展區(qū)（疲勞輝紋，二次裂紋）

表面裂紋源經(jīng)起始擴(kuò)展和快速擴(kuò)展之后，裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，形成典型的韌窩形貌，最終導(dǎo)致扭桿斷裂，如圖9所示。圖5～圖9展示了表面裂紋源-裂紋起始擴(kuò)展-快速擴(kuò)展-擴(kuò)展失穩(wěn)-瞬斷區(qū)的典型微觀形貌，證明扭桿斷裂是疲勞斷裂[2]。

圖9 失效扭桿瞬斷區(qū)（韌窩）

1.3 硬度分析

在扭桿的3個(gè)不同位置，分別測(cè)量2根失效扭桿的維氏硬度，其數(shù)值和平均值如表3所列。

表3 扭桿維氏硬度測(cè)量值（HV50）

失效扭桿的維氏硬度（HV50）約為500，在扭桿硬度的正常范圍內(nèi)，失效扭桿的硬度值正常。

1.4 金相分析

利用光學(xué)顯微鏡觀察失效扭桿的表面脫碳情況和金相組織，結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 扭桿無脫碳

圖11 扭桿回火屈氏體：上）1號(hào)扭桿下）2號(hào)扭桿

分析結(jié)果表明：失效扭桿表面均未觀察到脫碳現(xiàn)象，扭桿金相組織為回火屈氏體。失效扭桿的金相組織正常，扭桿表面無脫碳。這說明扭桿不是由表面脫碳引起扭桿疲勞強(qiáng)度下降而導(dǎo)致斷裂的。

1.5 分析與討論

綜合上述結(jié)果：兩根失效扭桿的硬度和金相組織均正常，這說明扭桿不是由于扭桿內(nèi)部缺陷引起抗拉強(qiáng)度下降（硬度下降）或者表面脫碳引起疲勞強(qiáng)度下降而引發(fā)斷裂的。其斷裂原因是：1號(hào)扭桿和2號(hào)扭桿裂紋源都起于表面，裂紋源處的外表面有明顯的缺陷損傷，起始擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋，以及瞬斷區(qū)的韌窩表明，兩根扭桿屬于正常的疲勞斷裂[1，3]。1號(hào)扭桿和2號(hào)扭桿均是由表面缺陷損傷引發(fā)裂紋源從而導(dǎo)致的疲勞斷裂。

追蹤扭桿的整個(gè)生產(chǎn)流程，確認(rèn)成形過程產(chǎn)生的工裝壓痕是失效扭桿表面損傷缺陷的根本原因。針對(duì)扭桿斷裂的原因，在工裝樣件階段，通過原材料表面質(zhì)量控制、扭桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圓角優(yōu)化）和扭桿成形工裝改善等改進(jìn)措施的實(shí)施，大大減少扭桿表面的工裝壓痕，大幅度地提升扭桿質(zhì)量。改善后的扭桿滿足表1所列各項(xiàng)指標(biāo)，通過了3萬次耐久循環(huán)試驗(yàn)。

2 結(jié)束語

為解決某車型行李廂蓋扭桿在軟工裝交樣階段出現(xiàn)的斷裂問題，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和硬度計(jì)等手段檢測(cè)失效扭桿的斷口形貌、硬度值和金相組織，找出斷裂扭桿的原因，提出解決措施并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

（1）斷裂扭桿屬于正常的疲勞失效。對(duì)扭桿生產(chǎn)過程進(jìn)行追蹤并確認(rèn)成形過程產(chǎn)生的工裝壓痕是失效扭桿表面損傷的根本原因。

（2）在車型項(xiàng)目的工裝樣件階段，通過原材料表面質(zhì)量控制、扭桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圓角優(yōu)化）和扭桿成形工裝改善等改進(jìn)措施的實(shí)施，大大減少扭桿表面的工裝壓痕，大幅度地提升扭桿質(zhì)量。

（3）改善后的扭桿通過耐久性試驗(yàn)的驗(yàn)證，并滿足車型規(guī)定的其他技術(shù)要求，最終在車型項(xiàng)目上順利應(yīng)用。