工程车辆前桥疲劳试验早期开裂分析

张俊花，戴斌丽，贾爽，卜梦凡，康学勤

（1.江苏联合职业技术学院徐州技师分院，江苏徐州 221151；2.中国矿业大学材料与物理学院，江苏徐州 221008）

0 引言

前桥是工程车辆设备中十分重要的零件，具有连接车体和车轮的作用，车辆在行驶过程中，其承受的载荷多为交变载荷，使用过程中易出现疲劳裂纹甚至断裂[1-4]。这就要求其材料必须具有足够的强度、刚度和抗破坏能力[5-6]。某矿用车前转向桥材料为ZG310-570，加工过程为铸造后进行抛丸和打磨处理，然后进行正火处理、二次抛丸和喷漆作业，最后进行外观及尺寸检查。该前桥进行台架试验，试验过程通过载荷来进行控制，加载波形为正玄波，频率为3 Hz，最大加载力为-183 kN，最小加载力为-26 kN，额定循环次数为30万次，在试验进行到135 721次时出现开裂。与使用过程中车桥所处工作环境恶劣，工况复杂导致的开裂不同，本次开裂是在台架试验中产生的，所得结论对于产品质量分析和标准制定具有重要的指导意义。刘瑜等[7]对42CrMo汽车前桥在台架疲劳试验中的早期开裂进行过分析，开裂的原因是由于粗糙的磨痕引起的偶发事件。本文通过宏观、扫描电镜、化学成分、力学性能和金相组织等分析方法对开裂零件进行检验和分析，寻找开裂产生的原因，并提出预防措施。

1 理化检验

1.1 样品宏观检验

图1为前桥结构及断裂位置示意图，图1中左右两端为台架试验固定位置，中部箭头所示区域为交变载荷F加载位置。从图中可以看到，开裂发生在前桥右侧拐角处，图2中实物照片显示出裂缝下宽上窄，从下向上扩展，前桥上部尚未完全断开。

图1 前桥结构示意图及断裂位置图

图2 前桥断裂位置和断裂形貌图

1.1.1 断口宏观形貌分析

图3为开裂前桥分开后的裂纹断口形貌图，从图中可以看出试验过程中开裂形成的断口无明显塑性变形，属于宏观脆性断裂。断口表面较粗糙，左下部区域较平整，有明显的放射线，断口为台架试验循环加载过程中形成的疲劳断口，根据放射线的方向，可知左下脚区域为断裂源区。断口右上部区域起伏较大，为台架试验过程中裂纹在循环加载力作用下快速扩展形成的断裂区。图3中右侧图为左侧图中裂纹源区的局部放大图，从图中可以看到断裂源区颜色较深且存在细小的撕裂棱，根据撕裂棱形貌可知裂纹源在图3右侧图中试样的左侧表面。结合图3左侧图可知裂纹源区在前桥左侧面下部区域，台架试验中前桥在26～183 kN的压应力作用下循环，试验过程中前桥下表面受到的拉应力最大，试验过程中前桥截面受力从下向上逐渐降低，裂纹源却出现在了受力最大的左下角和受力较低的左侧面下部区域，需要对裂纹源表面的形貌及组织进行观察和检验。

在图3 中的裂纹源侧面取样进行分析，将该试样放到超声波中用无水乙醇清洗掉侧面的白色涂料，露出底部红色的涂料，将红色涂料剥落后显示出前桥裂纹源区侧面的表面形貌（如图4（a）），从图中可以看出前桥左侧表面布满了凹坑，非常粗糙，根据凹坑的形貌可以判断其是在抛丸过程中形成的。对比抛丸表面粗糙度比较样块，其粗糙度达到25～50 μm。图4（b）为前桥下侧表面形貌图，从图中可以看出，前桥下侧表面也布满了凹坑，表面明显有打磨的痕迹，对比抛丸表面粗糙度比较样块，其粗糙度为6.3～12.5 μm。该前桥零件要求图2（a）中加强筋侧面和前桥下侧表面的粗糙度不高于12.5 μm。可知前桥侧面粗糙度不满足要求，下侧表面打磨后粗糙度满足标准要求值。

图3 前桥断面和断裂源区形貌图

图4 前桥左侧表面和下侧表面形貌图

1.1.2 断口微观形貌分析

将超声清洗后的试样放到扫描电镜（SEM）中进行微观形貌观察，图5为裂纹源区低倍和高倍SEM图，从图中可以看出裂纹源区为穿晶断裂，在断口表面形成与珠光体对应的层片状形貌。图6为裂纹扩展区的低倍和高倍SEM图，从图中可以看到交变应力作用下，断口表面留下的疲劳辉纹[5-6]。

图5 裂纹源区低倍和高倍扫描电镜图

图6 裂纹扩展区低倍和高倍扫描电镜图

1.2 材料成分测试

从开裂前桥中取样进行化学成分测试，测试结果见表1。从表中可以看出铸钢中C、Si、Mn、S、P等化学元素符合GB/T 11352-2009标准中ZG 310-570材料的要求。

表1 铸钢化学成分质量分数测试表%

1.3 力学性能试验

在前桥水平段（图2（a）中A区域）取样按照GB/T 228.1-2010进行室温拉伸试验，材料的拉伸性能测试结果见表2。从表中可以看出，材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率满足国标GB/T 11352-2009中的要求值。

表2 铸钢拉伸性能试验测试结果

1.4 金相检验

在裂纹源处取样，研磨抛光后用4 %硝酸酒精溶液腐蚀，用光学显微镜对其金相组织进行观察。图7为前桥侧面裂纹源区处的金相组织图，从图中可以看到前桥表面金相组织为F+P，靠近表面位置由于铸造和正火过程中出现脱碳现象，F增多，P减少。前桥表面完全脱碳层厚度约为0.2 mm，总脱碳层厚度约为0.5 mm，满足标准中要求的总脱碳层厚度≤0.5 mm。图8为前桥基体金相组织图，该零件金相组织为正火后形成的等轴状F+P，珠光体片层细密，力学性能较好。

图7 前桥表面和内部金相组织图

图8 前桥基体低倍和高倍金相组织图

2 结果分析

根据前面的理化检验结果可知，前桥材料化学成分、力学性能和金相组织满足标准要求。该零件在铸造成型后进行了抛丸和打磨处理，正火处理后进行了二次抛丸处理。抛丸过程中在铸件表面产生了较大的塑性变形，形成大量凹坑，使铸件表面的粗糙度增大，达到25～50 μm，超过了标准中规定的要求值（≤12.5 μm）。铸件下侧表面由于在抛丸后进行了简单的打磨处理，降低了表面的粗糙度，满足标准中规定的要求。

一般来说，材料表面的质量对机械零件疲劳寿命影响较大[8-9]，抛丸后零件表面的粗糙度越大，应力集中就越严重，疲劳试验过程中零件疲劳裂纹源的萌生周期越短，零件的疲劳寿命越短或疲劳强度越低[10-11]。前桥左右拐角处的下表面是受力最大部位，该部位在抛丸后进行了打磨处理，降低了该部位的粗糙度，提高了该部位的受力水平和疲劳寿命。台架试验过程中疲劳裂纹源在与受力最大部位接近且表面粗糙度较高的前桥左右拐角处侧面出现，裂纹源区形成后在交变应力作用下进一步扩展形成裂纹扩展区，最终导致前桥在疲劳试验过程中循环到13万次时出现开裂。

对同批次前桥左右拐角处侧面的质量进行检验，发现均存在粗糙度较高的现象，对该处表面进行打磨处理后，再对同批次前桥零件进行垂直加载台架疲劳试验，循环30万次后未发现开裂现象，满足使用标准。

3 结论及建议

前桥开裂的断口为典型的疲劳断口，前桥表面存在抛丸过程中形成的大量凹坑，前桥侧面的粗糙度增加，大幅度降低了疲劳断裂中裂纹源的萌生周期，降低了前桥的疲劳寿命。前桥左右拐角处的下表面虽然是受力最大部位，但是在抛丸后对这些部位进行了打磨处理，增加了表面的光洁度进而提高了该处的受力水平和疲劳寿命。导致疲劳裂纹源在与受力最大部位接近且表面较粗糙的侧面出现。

建议生产过程中加强铸件关键部位质量检测，对前桥左右拐角部位的侧面进行打磨处理，降低该部位的粗糙度，提高铸件质量和疲劳寿命。