失效分析丨球頭銷(xiāo)-汽車(chē)轉(zhuǎn)向拉桿連接部分的重要零件

背景介紹

球頭銷(xiāo)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向拉桿連接部分的一個(gè)重要零件，用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的鉸接(如汽車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架的鉸接)，要求表面耐磨，心部能承受一定的強(qiáng)度和韌性。某40Cr材質(zhì)的球頭銷(xiāo)在汽車(chē)道路試驗(yàn)運(yùn)行到29000公里時(shí)發(fā)生斷裂，整車(chē)的車(chē)身、底盤(pán)件無(wú)異常碰撞等受力痕跡，同批次的另外4臺(tái)車(chē)正常完成道路試驗(yàn)。下文通過(guò)對(duì)比檢測(cè)失效球頭銷(xiāo)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)NG件）和正常球頭銷(xiāo)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)NG件），找出其失效原因。

檢測(cè)分析

1 外觀檢查

通過(guò)對(duì)球頭銷(xiāo)的外觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)失效件斷口距離球心約24～25毫米，是在與節(jié)臂錐形孔大邊緣配合位置附近斷裂，OK件螺紋段及斷口對(duì)應(yīng)位置已銹蝕（如圖1和圖2）；發(fā)現(xiàn)失效件螺紋有碰傷，OK件螺紋雖有銹跡，但螺牙完整（如圖1和圖2）；失效件斷口附近表面呈淤泥狀碾壓磕碰痕跡，OK件相同位置有銹蝕，但銹斑下加工紋路完整（如圖3和圖4）。斷口與球頭銷(xiāo)軸線大致垂直，存在兩個(gè)主斷面（如圖5），斷面1用A、B、C分別標(biāo)示出裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及快速斷裂區(qū)；斷面2用A1、B1和C1分別標(biāo)示裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、快速斷裂區(qū)。兩個(gè)裂紋擴(kuò)展區(qū)都有與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞弧線，其中B區(qū)的疲勞弧線比B1區(qū)的疲勞弧線紋路細(xì)，間距小，較早開(kāi)裂。由于斷面1中的裂紋源A區(qū)產(chǎn)生早，磨損率高，斷口發(fā)亮，放大后發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展溝道線起源于表面凹坑（如圖6和圖7）。斷面2裂紋源A1區(qū)有多個(gè)裂紋源（如圖8），裂紋擴(kuò)展溝道更深，也起源于表面的凹坑處。

2 SEM+EDS檢查

裂紋源A區(qū)表面觀察到磨痕及彌散分布的白色塊狀磨料，凹坑內(nèi)仍有洗不掉的贓污附著（如圖9），放大觀察發(fā)現(xiàn)二次裂紋沿晶開(kāi)裂（如圖10）。選擇凹坑附近微區(qū)1～5做EDS探測(cè)分析，探測(cè)出各元素含量的具體結(jié)果編入表1中。分析探測(cè)結(jié)果，微區(qū)1、微區(qū)2和微區(qū)4含有機(jī)成分，微區(qū)3是污染輕微的40Cr鋼基體成分，微區(qū)5中的塊片不但含有大量的碳和氧，還有硫，及氯、鈣、鈉元素，硫是橡膠防塵罩的組成元素。裂紋源A區(qū)凹坑內(nèi)存在橡膠磨屑，表明A區(qū)表面最早出現(xiàn)凹坑。

表1 EDS分析結(jié)果(Wt%)

在裂紋源A1區(qū)表面凹坑處（如圖11），裂紋由表向內(nèi)擴(kuò)展，凹坑內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在A區(qū)凹坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)的有機(jī)成分及橡膠磨屑，放大觀察發(fā)現(xiàn)了韌窩聚集（如圖12），韌窩圓形，沒(méi)有滑移變形，材料是在表面應(yīng)力高度集中，在大的拉應(yīng)力條件下開(kāi)裂。同時(shí)觀察到疲勞條紋帶（如圖13），證實(shí)是疲勞斷裂。快速斷裂區(qū)中束狀撕裂棱及螺旋型臺(tái)階是高低不同（如圖14），相向擴(kuò)展又不同軌的兩個(gè)斷面相互吸引，相互聚合的結(jié)果。

3 金相檢查

分別從NG件的裂紋源A區(qū)附近及OK件對(duì)應(yīng)NG件裂紋源附近取樣，拋光后檢查縱向剖面。金相檢查結(jié)果顯示，NG件表面與心部組織相同；OK件邊緣組織與心部組織顏色略有差別。高倍觀察NG件金相組織為回火S+少量F，根據(jù)GB/T13320評(píng)定為2.5級(jí)。分別高倍觀察OK件邊緣和心部金相組織均為回火S，邊緣組織晶粒尺寸略小于心部組織。根據(jù)GB/T13320評(píng)定兩者同為1級(jí)。NG件金相組織尺寸稍大，并存在少量鐵素體，降低材料硬度和強(qiáng)度，降低材料表面抗碾壓能力，降低材料疲勞強(qiáng)度。

圖15 NG件斷口裂紋源附近組織

圖16 OK件對(duì)應(yīng)NG件裂紋源附近組織

圖17 OK件心部組織

4 硬度試驗(yàn)

在斷口附近取樣，檢查NG件與OK件橫截面硬度，結(jié)果記入表2中。結(jié)果顯示，NG件表面和心部硬度一致；OK件表面硬度比心部硬度略有增加，但差別不大。OK件表面硬度平均值比NG件表面硬度平均值高54HV1，OK件表面具有更高的抗磨損抗碾壓能力。OK件材料整體硬度高于NG件，OK件抗疲勞強(qiáng)度也更高。

表2 硬度檢查結(jié)果（HV1）

5 化學(xué)成分分析

采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學(xué)成分，分析結(jié)果見(jiàn)表3，與GB/T 3077對(duì)照，無(wú)論是失效件還是OK件，所有元素含量都在40CrA正常范圍內(nèi)。

表3 化學(xué)元素分析結(jié)果(Wt%)

分析與討論

如圖18所示，當(dāng)汽車(chē)運(yùn)行路況不好時(shí)，輪胎上下顛簸，節(jié)臂以球頭銷(xiāo)為支點(diǎn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)球頭銷(xiāo)左右兩個(gè)半邊周期性施加拉壓應(yīng)力。如果球頭銷(xiāo)鎖緊螺母松動(dòng)，那么球頭銷(xiāo)在節(jié)臂錐形孔中容易上下穿動(dòng)，甚至左右搖擺，節(jié)臂錐形大孔邊緣因此周期性碾壓球頭銷(xiāo)側(cè)表面。球頭銷(xiāo)沒(méi)做表面熱處理，表面硬度不高，側(cè)表面因此被碾壓出淤泥狀坑洼不平的表面形貌。

材料表面粗糙度與材料的疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)，當(dāng)球頭銷(xiāo)表面受損后，在坑洼的位置形成缺口效應(yīng)，應(yīng)力高度集中，當(dāng)應(yīng)力大于凹坑尖端擴(kuò)展門(mén)檻值時(shí)，坑洼的尖銳處向內(nèi)擴(kuò)展出裂紋，這就是最初的疲勞裂紋形成的原因。

疲勞裂紋在周期性橫向力作用下，繼續(xù)擴(kuò)展，形成B區(qū)裂紋擴(kuò)展面。隨著斷面1（A、B、C）疲勞裂紋擴(kuò)展，球頭銷(xiāo)有效截面積逐漸減小，應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到某一臨界點(diǎn)，裂紋源A1區(qū)表面應(yīng)力高度集中，同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)裂紋源，疲勞擴(kuò)展，形成斷面2（A1、B1、C1）。

斷面1和斷面2高度不同，相向靠近，最后形成束狀撕裂楞和螺旋臺(tái)階，球頭銷(xiāo)隨機(jī)分離成兩段。

球頭銷(xiāo)失效件金相組織中有少量鐵素體，硬度低于OK件54HV1，疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)更低，有利于疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

圖18 球頭銷(xiāo)工作示意圖

結(jié)論

球頭銷(xiāo)在節(jié)臂錐形孔內(nèi)穿動(dòng)，表面受節(jié)臂錐形孔邊緣碾壓破損是導(dǎo)致球頭銷(xiāo)早期疲勞斷裂的主要原因，球頭銷(xiāo)金相組織內(nèi)析出鐵素體，硬度降低，對(duì)疲勞斷裂有促進(jìn)作用。

建議

1) 裝配檢查；

2) 球頭銷(xiāo)增加表面熱處理（如高頻淬火、軟氮化等），提高表面抗磨損、抗碾壓能力。

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