乘用车行李厢盖扭杆失效分析

2019-06-21甘柳忠韦贤毅万永红

装备制造技术 2019年4期

甘柳忠，韦贤毅，万永红，蓝先，谢宁

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

0 引言

某车型行李厢盖扭杆（材料为TDCrSi）在软工装交样阶段的耐久性试验中出现断裂问题。扭杆的制备工艺如下：热轧线材-酸洗-拉丝-油淬火-回火-检测-成形加工-去应力回火-电泳漆。行李厢盖扭杆的结构形式如图1（a）所示。CAE分析表明扭杆弯角处为应力集中处，见图1（b）。失效扭杆的断裂发生在弯角处，与CAE分析一致。

图1 尾门扭杆的结构及CAE分析结果

扭杆弹簧作为行李箱盖的开启辅助装置，在其制造过程中需要控制扭杆质量以避免发生断裂等[1]失效现象。应用于车型行李厢盖的扭杆，需要满足成分、表面脱碳、金相组织结构、硬度与耐久性等技术要求，如表1所示。

表1 某车型行李厢盖扭杆技术要求

采用断口分析、金相检验和硬度检测等方法对2根断裂扭杆（1号失效扭杆和2号失效扭杆）进行失效分析。

1 检测与分析

1.1 成分分析

采用OES光谱仪测量失效扭杆的化学成分（如表2所示），结果表明扭杆材料TDCrSi化学成分的实测值符合技术标准的要求（标准值Min和标准值Max所列即为《GB/T18983-2017淬火-回火弹簧钢丝》对TDSiCr要求的范围值）。

表2 行李厢盖扭杆的化学成分分析（wt%）

1.2 断口形貌

从图2至图4的宏观形貌可知：2根失效扭杆的外表面存在损伤缺陷，并在断口边缘（扭杆表面）观察到裂纹源。经过对扭杆整个生产流程进行追踪，确认表面损伤是在扭杆成形时工装对扭杆表面进行挤压而形成压痕，产生表面损伤缺陷。

图2 1号失效扭杆的断口形貌

图3 1号失效扭杆裂纹源外表面

图4 2号失效扭杆裂纹源处表面

利用扫描电子显微镜（SEM）对裂纹源进行观察，可以观察到裂纹源的微观形貌，如图5和图6所示。裂纹从扭杆表面处的裂纹源开始，沿垂直表面方向呈射线状向中心扩展。

图5 失效扭杆裂纹源处

图6 失效扭杆裂纹源处的放大图（裂纹源起于表面）

图7和图8可以观察到失效扭杆的裂纹起始扩展区和快速扩展区的疲劳辉纹，及其扩展方向。

图7 失效扭杆起始扩展区（疲劳辉纹）

图8 失效扭杆快速扩展区（疲劳辉纹，二次裂纹）

表面裂纹源经起始扩展和快速扩展之后，裂纹扩展失稳，形成典型的韧窝形貌，最终导致扭杆断裂，如图9所示。图5～图9展示了表面裂纹源-裂纹起始扩展-快速扩展-扩展失稳-瞬断区的典型微观形貌，证明扭杆断裂是疲劳断裂[2]。

图9 失效扭杆瞬断区（韧窝）

1.3 硬度分析

在扭杆的3个不同位置，分别测量2根失效扭杆的维氏硬度，其数值和平均值如表3所列。

表3 扭杆维氏硬度测量值（HV50）

失效扭杆的维氏硬度（HV50）约为500，在扭杆硬度的正常范围内，失效扭杆的硬度值正常。

1.4 金相分析

利用光学显微镜观察失效扭杆的表面脱碳情况和金相组织，结果如图10和图11所示。

图10 扭杆无脱碳

图11 扭杆回火屈氏体：上）1号扭杆下）2号扭杆

分析结果表明：失效扭杆表面均未观察到脱碳现象，扭杆金相组织为回火屈氏体。失效扭杆的金相组织正常，扭杆表面无脱碳。这说明扭杆不是由表面脱碳引起扭杆疲劳强度下降而导致断裂的。

1.5 分析与讨论

综合上述结果：两根失效扭杆的硬度和金相组织均正常，这说明扭杆不是由于扭杆内部缺陷引起抗拉强度下降（硬度下降）或者表面脱碳引起疲劳强度下降而引发断裂的。其断裂原因是：1号扭杆和2号扭杆裂纹源都起于表面，裂纹源处的外表面有明显的缺陷损伤，起始扩展区和快速扩展区的疲劳辉纹，以及瞬断区的韧窝表明，两根扭杆属于正常的疲劳断裂[1，3]。1号扭杆和2号扭杆均是由表面缺陷损伤引发裂纹源从而导致的疲劳断裂。

追踪扭杆的整个生产流程，确认成形过程产生的工装压痕是失效扭杆表面损伤缺陷的根本原因。针对扭杆断裂的原因，在工装样件阶段，通过原材料表面质量控制、扭杆结构优化（圆角优化）和扭杆成形工装改善等改进措施的实施，大大减少扭杆表面的工装压痕，大幅度地提升扭杆质量。改善后的扭杆满足表1所列各项指标，通过了3万次耐久循环试验。