汽车冷却装置护板断裂的原因

2018-08-24，，，，，

机械工程材料 2018年8期

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(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省分析测试中心，山东省材料失效分析与安全评估工程技术研究中心，济南 250014)

0 引言

某公司生产的汽车冷却装置护板在使用约2 a后断裂，该断裂护板材料为S355MC钢，经冷成形加工而成。由图1(a)可见：护板为条形，厚度为3 mm，表面涂有防护漆；护板通过螺栓与冷却装置连接，其表面的螺母与护板通过焊接方式连接。螺母材料为45钢。护板与冷却装置一起固定在汽车前端，在汽车行驶过程中受到交变载荷作用。护板在其边角一处固定螺母的位置发生断裂，如图1(b)所示。为了查明该护板断裂的原因，作者对其进行了失效分析。

图1 护板的结构和断裂位置Fig.1 Structure (a) and fracture location (b) of guard board

图2 护板的断口宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture of the guard board

1 理化检验及结果

1.1 断口的宏观及微观形貌

由图2可见：护板发生断裂后，螺母并没有被破坏，断裂位置均位于护板与螺母之间的焊缝熔合区及护板热影响区；护板断口表面呈灰色，比较平齐，无明显塑性变形。

图3 护板的断口SEM形貌Fig.3 SEM micrographs showing fracture of the guard board:(a) fracture and (b) opposite of fracture

在断口上取样，清洗后，使用SUPRA55型扫描电子显微镜(SEM)观察断口微观形貌。由图3可见，断口上有两个明显的裂纹源，分别位于护板的内、外表面。护板内表面裂纹源恰好位于护板与螺母的焊缝熔合区；由于护板较薄，其外表面也会受到焊接热循环的影响，因而外表面的裂纹源位于热影响区。裂纹源附近可见放射状棱线，裂纹沿壁厚方向向护板内部扩展，交汇形成瞬断区，瞬断区位于板厚中心位置；在裂纹扩展区的部分位置隐约可见贝纹线。

由图4可见：裂纹源区存在研磨痕迹，这是由于裂纹在扩展过程中反复张合，使得断口的对偶面互相研磨而形成的；该区域还可观察到在裂纹扩展过程中形成的微裂纹。

图4 护板断口裂纹源区的SEM形貌Fig.4 SEM micrograhs of crack initiation area on fracture of the guard board: (a) at low magnification and (b) at high magnification

图5 护板断口裂纹源区的EDS测试位置及分析结果Fig.5 EDS testing position (a) and results (b) of crack initiation area on fracture of the guard board

利用INCA X-act型能量色散X射线仪(EDS)对裂纹源区进行微区成分分析。由图5可见，裂纹源区未发现腐蚀性元素。

将裂纹扩展区贝纹线附近位置放大后，可见该处存在典型的疲劳辉纹，如图6所示。

1.2 化学成分

在断裂护板上取样，经打磨、抛光，用分析纯乙醇擦拭，制成符合成分分析的标准试样后，用ZSX Primus II型X射线荧光光谱仪和CS-8800型高频红外碳硫分析仪进行成分分析，结果见表1。由表1可知，该护板的化学成分符合Q/BQB 311-2009中S355MC钢的成分要求。

图6 护板断口裂纹扩展区疲劳辉纹的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs showing fatigue striations in the crack propagation region on fracture of the guard board: (a) field 1 and (b) field 2

图7 护板断口表面、裂纹源区剖面及焊缝的显微组织Fig.7 Microstructures of fracture (a), profile of crack initiation area (b) and weld seam (c-d) of the guard board:(c) at low magnification and (d) at high magnification

表1 断裂护板的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the fractured guardboard (mass)%

1.3 显微组织

在断裂护板母材、断口表面、裂纹源区剖面以及焊缝、热影响区分别截取尺寸约为8 mm×3 mm×5 mm的金相试样，经抛光，用体积分数为3%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在Axio Observer A1m型光学显微镜上观察显微组织。由图7可见：断口表面上存在较多裂纹，裂纹从护板边缘一直贯穿至护板内部，断口显微组织为铁素体和片状珠光体；在裂纹源区剖面上，可见母材热影响区存在多处裂纹；焊缝区存在明显的未熔合、夹渣等焊接缺陷，焊缝区显微组织为柱状晶，晶界处为铁素体，晶内为索氏体和针状铁素体，还有魏氏组织存在。

由图8可以看出：护板热影响区显微组织为铁素体和粒状珠光体；护板母材组织为铁素体和片状珠光体。

图8 护板热影响区和母材的显微组织Fig.8 Microstructures of heat affected zone (a) and base metal (b) of the guard board

1.4 力学性能

在断裂护板上截取平行段尺寸为15 mm×3 mm×100 mm的拉伸试样和尺寸为15 mm×3 mm×150 mm的弯曲试样，在WDW-300E型万能试验机上进行拉伸和弯曲试验。拉伸试样标距为50 mm，拉伸速度为2 mm·min-1。弯曲试验采用三点弯曲方式，跨距为40 mm，下压速度为1 mm·min-1。测得护板的抗拉强度为483 MPa，上屈服强度为424 MPa，断后伸长率为21.0%。弯曲后试样的外侧面肉眼未见裂纹。护板的拉伸性能和弯曲性能均满足Q/BQB 311-2009规定的S355MC钢的性能要求。

2 断裂原因分析

该断裂护板是用来固定汽车冷却装置并保护其不受污染，防止冷却装置损伤的结构件。由分析结果可知，断裂护板的化学成分和力学性能均满足标准要求。汽车在行驶过程中存在颠簸、加减速、启动、停止等情况，汽车冷却装置也会随之发生振动，导致其护板受到交变载荷作用。结合断口形貌分析可知：护板螺母处为一固定支点，最大力矩位于护板的内外表面；护板断裂是裂纹扩展、累积损伤的结果，而不是一次性偶然的超载破坏。

由断口形貌分析可知，断裂护板断口上存在两个裂纹源和两个裂纹扩展区，护板内外表面的裂纹源同时向护板内部扩展，在护板内部交汇导致了护板断裂，因此断口表面的瞬断区较小。裂纹扩展区的面积分数达到90%以上，说明护板受到的交变应力辐较小。裂纹扩展区可见明显疲劳辉纹，说明护板发生了疲劳断裂。

疲劳裂纹源区一般位于表面存在应力集中的位置[1-3]。断口上的两个裂纹源分别位于护板的内、外表面，内表面裂纹源恰好位于护板与螺母的焊缝熔合区，外表面裂纹源位于焊接热影响区。焊缝是该装置的薄弱环节。裂纹是焊接接头中最常见的一种缺陷[4-5]，是由于焊接应力及其他致脆因素的共同作用，破坏了焊接接头局部区域的金属原子结合力，导致新界面的形成而产生的。观察护板和螺母间焊缝的形貌可知，焊缝中存在非常明显的未熔合、夹渣等焊接缺陷。裂纹及焊接缺陷的存在会降低焊缝的承载能力，并产生应力集中[6]，最终导致断裂。