球头销断裂失效分析

2015-11-28刘德林

失效分析与预防 2015年2期

李楠，施睿，刘德林

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京 100095;4.中国北方车辆研究所，北京 100072)

0 引言

球头销是汽车转向拉杆连接部分的一个重要零件，用于转向机构的铰接，如汽车的转向机构和悬架的铰接，并要求表面耐磨，心部能承受一定的强度和韧性［1-2］。球头销属一级安全件，对可靠性要求极高，目前对于此类零件的失效案例较为少见。球头销采用的材料为30CrMnSiA 钢，是一种低合金高强度钢，在淬火高温回火状态下具有较高的强度和足够的韧性，适用于制造航空重要锻件、机械加工零件等，已广泛应用于武器装备、机械制造、航空及航天领域［3-6］。

特种车辆采用材质为30CrMnSiA 钢的球头销连接转向节与下横臂，在恶劣环境下试车，行驶25 230 km 后发现一转向球头销出现开裂。该批次球头销在试车时多次出现开裂，且裂纹均在颈部沿圆周方向扩展，直至发生断裂，严重影响了车辆的正常运行。因此，找到此球头销失效原因，防止此类事件再次发生，消除故障隐患，保证车辆及人员的安全，具有极其重要的意义。

该球头销热处理制度为:1)棒料整体860～880 ℃淬火，油冷后550～600 ℃回火;2)机械加工后对球头和杆部分别进行860～880 ℃高频淬火，油冷后对球头进行150～200 ℃回火，对杆部进行450～500 ℃回火。

本研究对失效球头销的外观及断口进行宏微观观察，并对材料金相组织、硬度、化学成分进行检查和分析，确定球头销开裂的失效性质，对其失效原因进行分析，并提出建议，为避免此类故障的再次发生提供借鉴作用。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

图1 为失效球头销整体外观，可见表面存在不同程度的磨损和锈蚀;肉眼观察到颈部存在细小周向裂纹，为确定裂纹分布情况，对其进行渗透荧光检测，检测结果见图2，可见裂纹沿颈部周向分布，存在2 处开裂，观察标记点正反面，裂纹呈2 段圆弧分布，未连接成一整圆。

图1 球头销外观Fig.1 Appearance of bulb pin

图2 球头销渗透荧光检测Fig.2 Fluorescent penetrating inspection of the cracks

1.2 断口观察

由于球头销裂纹较浅，人工无法直接打开裂纹，故先从中间无裂纹处将其切割成两半，再沿裂纹打开断口。将断口用丙酮超声清洗后，进行宏微观观察。

断口宏观形貌见图3，裂纹起源于球头销外圆周两侧。根据断口宏观形貌特征，将其分为4个区域:从裂纹扩展宽度判断2-1 区为源区Ⅰ，2-2 区为源区Ⅱ，这两区域锈蚀较为严重;2-3 与2-4区为人工打断区，断面粗糙呈白亮金属色。

图3 球头销断口宏观形貌Fig.3 Macroscopic feature of bulk pin fracture surface

对球头销断口进行微观观察。断口源区平坦，伴有一次疲劳台阶，Ⅰ、Ⅱ源区均有腐蚀现象(图4)，2-1 裂纹扩展区存在疲劳弧线及疲劳条带特征(图5)，人工打开断口为准解理断裂(图6)。

1.3 球头顶部痕迹分析

观察球头销顶部，发现有明显磨损痕迹，故对此磨损痕迹进行宏微观观察分析。球头顶部宏观照片见图7，球头表面较为粗糙，存在大片黄色与少量黑色物质，摩擦磨损痕迹方向如箭头所指，且与圆周两端线源裂纹中心位置(右下角插图中箭头所指位置)基本相对应，摩擦方向与裂纹扩展方向基本一致。微观形貌见图8 所示，为挤压磨损形貌，存在凹坑，可见粘着磨损痕迹，发生了明显材料转移，相应能谱测试结果见表1，黄色区粘着物质成分主要为Cu，黑色区域除少量Cu 元素外，还含有大量C 元素。

1.4 金相组织及硬度检查

对球头销杆部横截面进行金相组织检查和硬度检查。宏观形貌及检查位置见图9，圆形红色标记点(A、B、C)为金相检查位置，黄色菱形标记点(1～12)为硬度测试位置。杆部任意位置横截面淬硬层厚度不均，经测量，最厚处约为1.5 mm，最薄处约为0.95 mm(图10)。

图4 疲劳源区微观形貌特征Fig.4 Micro-morphology of source zone

图5 2-1 扩展区微观形貌Fig.5 Microstructure of fatigue striations at the extension zone 2-1

图11 为球头销杆部横截面金相组织形貌。A 区为淬硬层中心，为铁素体+回火马氏体组织(图11a);B 区为靠近边缘基体，为回火索氏体(图11b);C 区为基体中心，为铁素体+珠光体(图11c)。可见基体组织不均匀，疑为工件整体未淬透所造成。

对杆部淬硬层及基体进行硬度检查。测得的维氏硬度根据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算为洛氏硬度，结果见表2，可见淬硬层区域硬度值略高于技术要求，而基体硬度值略低于技术要求。

为观察淬硬层整体分布情况，故将球头销沿轴心取纵截面进行磨抛腐蚀，宏观照片见图12，可见淬硬层分布不均匀，颈部无淬硬层出现。

图6 人工打断区微观形貌Fig.6 Micro-morphology of artificially-broken zone

图7 球头销顶部磨损痕迹正视图和后视图(右下角)Fig.7 Macro-morphology of wear trace from the front view and back view (at the lower right corner)

图8 球头销顶部磨损痕迹微观观察Fig.8 Micro-morphology of wear trace on the top of bulk pin

表1 球头销顶部磨损痕迹能谱测试结果(质量分数/%)Table 1 EDS analysis results of the wear trace on the top of two bulk pins (mass fraction/%)

图9 球头销杆部横截面金相试样Fig.9 Sample for microstructure and hardness inspection of bulk pin

1.5 化学成分分析

从球头销基体取粉末样品进行化学成分检测，检测结果见表3，各元素含量均符合技术要求。

2 分析与讨论

2.1 断裂性质分析

失效球头销断裂于球头与杆部相连接的颈部，也即最小截面积处。断口起源于圆周两侧，为线源，扩展区可见少量疲劳弧线与疲劳条带特征，人工打断断口形貌为解理断裂;这些特征说明球头销失效性质均为双向弯曲疲劳开裂［7］。

图10 杆部横截面淬硬层厚度检查Fig.10 Thickness inspection of the hardened layers in the cross section of the pole

图11 球头销杆部横截面金相组织形貌Fig.11 Microstructure of the cross section of bulk pin

表2 硬度测试结果Table 2 Hardness testing results of different zones

表3 化学成分分析结果(质量分数/%)Table 3 Chemical composition analysis results (mass fraction/%)

图12 球头销纵截面观察Fig.12 Morphology of the longitudinal section of the bulk pin

2.2 断裂原因分析

球头销断裂性质为疲劳开裂失效，造成疲劳开裂的原因可从材质与受力两方面进行分析。

检查结果表明，球头销材料化学成分合格。纵截面金相宏观观察显示淬硬层分布不均匀，颈部基本无淬硬层存在，基体组织为回火索氏体，根据技术要求规定，整个杆部(包括颈部)锥面硬度均应达到HRC 35～42，而检测结果表明，颈部表层回火索氏体组织的硬度明显低于技术要求硬度值，这将造成其力学性能下降，不符合理论设计强度。

淬硬层不均与热处理工艺紧密相关，从不同位置金相组织分析，应为热处理操作不当造成，如高频淬火位置不准确、不均匀，整体淬火未淬透等问题，对工件整体质量均有一定影响［8-10］。建议严格控制热处理工艺，避免以上现象发生。

球头销装配及受力情况如图13 所示，使用过程中球头销受力主要来自于y 方向上的冲击工况作用，与圆周两侧线源中心位置一致，是发生双向弯曲疲劳断裂的主要应力来源。图7 中球头顶部磨损方向基本平行于y 方向。理论上，球头销球头部分在下横臂圆槽中转动，并有润滑油起到润滑作用，随转向节转动时应活动自如，在使用期间只会发生少量正常磨损，并不会存在材料转移。但失效件球头销顶部存在大量磨损痕迹，且发生材料转移，能谱测试结果表明转移物质主要组分为Cu 元素，正是下横臂圆槽与球头相接触部位材质，说明球头销与下横臂发生粘着磨损。当摩擦副润滑不良时，2 个相对滑动的表面在摩擦力的作用下，表层会发生塑性变形，使新鲜金属表面裸露出来，由于分子力的作用使2 个表面发生焊合，外力需克服焊合点的结合力，才能继续保持相对滑动［11］，这就造成球头销顶部存在较大阻力，使其颈部受力增大。球头销断裂位置为球头下颈部最小横截面积处，此处为结构应力集中部位，为疲劳裂纹起源提供了结构应力。

图13 球头销装配及受力情况示意图Fig.13 Schematic illustration of assembly and force of the bulk pin

综上所述，球头销为双向弯曲疲劳开裂。球头销颈部无淬硬层，使得其疲劳抗力不足，是导致其疲劳开裂的原因之一;球头销与下横臂配合出现粘着磨损，球头销转动不良，存在较大的阻力，使得球头销颈部受力增大，是导致其发生疲劳开裂的又一因素。建议对球头销热处理工艺过程进行检查，确保严格按照工艺标准执行，并对球头销与下横臂圆槽配合情况进行进一步检查，找出磨损原因，并避免此现象的发生。