弹性圆柱销断裂原因分析

史秋月，颜士杰，马冬威

(1.湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰 442002；2.神龙汽车有限公司，湖北武汉 430058)

0 引言

弹性圆柱销又称弹簧销，是一种无头中空的柱形体，轴向开槽，两头端部有倒角，用于定位摇臂，防止摇臂脱落，如图1所示。摇臂为配气机构的气门传动组零件的重要组成之一，是配气机构中的关键性部件，对发动机的正常工作起着至关重要的作用，用来改变推杆或凸轮传来的力的方向，作用到气门杆端以推开气门，摇臂在其摆动的过程中承受很大的弯矩，工作温度接近200 ℃。弹性圆柱销主要受摇臂摇摆过程中所受的震动剪切力及摇臂工作时的温度环境影响。

某卡车在行驶10万千米左右，车出现异响，拆机后发现发动机摇臂总成3缸、6缸附近摇臂轴上弹性圆柱销断裂，弹性圆柱销断裂后排气摇臂与发动机罩盖产生碰撞，致使发动机罩盖出现磨损。标准件弹性圆柱销形状及工作状况如图2所示，使用过程有润滑。弹性圆柱销为标准件，材料为优质碳素钢，外径3 mm，淬火并低温回火硬度为420～520HV30。

图1 弹性圆柱销装配工作图

1 检验方法

对断裂弹性圆柱销的断口面进行清洗，观察宏观断口形貌，并对断面进行观察分析。将断裂的弹性圆柱销用扫描电镜及能谱进行断口微观形貌及成分分析，从3个不同的位置锉屑由ICP6300电感耦合等离子体发射光谱仪分析化学成分，沿断裂源位置径向磨制金相，抛光后用4%硝酸酒精溶液进行侵蚀，用金相显微镜进行显微组织观察分析，并用显微硬度计在3个不同的径向位置测试分析硬度的分布情况。

2 检验结果

2.1 化学成分分析

(1)根据GB/T 879.1-2000弹性圆柱销标准，该弹性销成分要求：C≥0.65，Mn≥0.5。该零件化学成分由ICP6300电感耦合等离子体发射光谱仪分析得出，其结果如表1所示，可见该产品成分符合标准要求。

表1 成分实测值

2.2 断口形貌及微区成分分析

对断裂销经超声波反复清洗后观察，如图3所示。

图3 断裂销SEM断口形貌

图3(a)为宏观断口形貌，断面外缘有多个裂纹扩展台阶，初步判断为外缘多点起源断裂，断面外缘有大量积碳，断面严重磨损；图3(b)为裂纹源区及扩展区(断面外环1/3区)，都有大量大小不一的腐蚀坑；图3(c)为断裂销外表面形貌，可见外表面腐蚀坑明显；图3(d)为断面扩展区次层形貌,呈现明显的疲劳辉纹；如图3(e)所示，近内侧连接疲劳辉纹的裂纹扩展区呈现沿晶断裂形貌特征；图3(f)为断裂区呈现准解理+局部沿晶形貌特征。上述观察表明，断裂形貌具有典型的应力腐蚀特征。

图4为断裂销腐蚀坑微区EDS成分。可见，腐蚀坑中除了K、Na、Ca、O等元素形成氧化腐蚀之外，腐蚀产物中还有S、Cl等元素，由于弹性圆柱销工作过程中除了有润滑脂润滑之外，还和发动机排除的部分废气接触，此过程带来S、Cl等腐蚀性离子，由于这些元素半径较小且吸附力强，易于在金属表面富集，且弹性圆柱销装配时有预应力，工作工程中有震动引起的剪切应力等，使其具备应力腐蚀条件。

2.3 金相组织分析

图5是断裂销外缘不同位置的金相组织。

图4 断裂销腐蚀坑微区成分

图5 断裂销外缘不同位置的金相组织

可见近断面表层和芯部组织均为针状马氏体，另外表层腐蚀深度达5～10 μm(如图5中标示)，有延晶界腐蚀和不同形态的点腐蚀坑，在应力的作用下延此位置形成裂纹，裂纹扩展到一定程度，应力超过了材料的允许强度，即发生断裂。

2.4 硬度分析

硬度测试如表2所示，在磨制的金相样截面取4个不同的经度，由外侧向内侧等距测得显微硬度值。硬度值基本符合技术要求，但偏上限，会增加应力腐蚀的敏感性。

表2 显微硬度测试值 HV

3 结论

综合上述分析，腐蚀产物中有S、Cl等元素，可能润滑剂中含有此腐蚀性离子，由于这些元素半径较小且吸附力强，易于在金属表面富集，且弹性圆柱销装配时有预应力，使用过程中有切应力，使其具备应力腐蚀条件。在S、Cl离子和应力的联合作用下零件表面产生点蚀，应力越大点蚀越快，在工作应力作用下点蚀坑发展成裂纹，当裂纹扩展到一定程度，应力超过材料允许载荷，零件在早期发生应力腐蚀疲劳断裂。另外材料硬度值偏上限，会增加应力腐蚀敏感性。建议更换材料或者在摇臂与弹性圆柱销之间增加弹性垫片，缓冲切应力。