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关于车门限位臂导向板断裂原因的试验研究

作者:原创论文网 时间:2017-05-12 15:09 加入收藏
摘要

  某车门限位臂导向板采用厚度为 2 mm 的60Si2Mn 弹簧钢材料,主要经落料、成型、冲孔、豁孔、调质热处理、喷丸等工艺生产而成。60Si2Mn钢属于 Si-Mn 系弹簧钢,在常规中碳钢的前提下增加了 Si、Mn 元素含量[1]。由于硅、锰的加入,显着强化了铁素体,使钢的弹性极限大幅提高,屈强比可达 0. 8 ~ 0. 9。但一方面,60Si2Mn 弹簧钢碳和硅的含量较高,高温长时间加热易发生脱碳现象; 另一方面硅促进脱碳倾向,锰增大了钢的过热敏感性,容易产生裂纹[2-3]。影响弹簧钢质量的重要因素有钢中非金属夹杂物和脱碳等表面缺陷[4-6]。钢中粗大夹杂物增多,弹簧钢性能恶化,降低氧含量与控制钢中夹杂物的组成、形态和分布成为高质量弹簧钢生产的重点。弹簧钢的表面缺陷中最常见的是脱碳,脱碳层的存在严重影响弹簧的疲劳寿命和硬度。有资料[7]表明,脱碳层厚度达到 0. 1 mm 时就会对弹簧钢的抗疲劳性能产生很大影响,表面达不到所要求的硬度和强度,在交变应力的作用下容易产生裂纹。

  试验限位臂导向板性能要求为: 硬度在 42 ~46 HRC 范围内,台架耐久试验 7. 5 万次不失效。但在实际台架耐久试验进行到约 1 万次时导向板发生了断裂,离要求相差甚远,导向板的几何尺寸和断裂位置如图 1 所示。为找出车门限位臂导向板发生断裂的原因以及提出改进的建议,本研究通过化学成分分析、硬度测试、金相检验、断口观察、能谱分析等试验方法加以探索。

图 1 导向板的几何尺寸和断裂位置
图 1 导向板的几何尺寸和断裂位置

  1、试验材料与方法

  为分析 60Si2Mn 钢车门限位臂导向板断裂的主要原因,首先在断裂件大面上取样,用砂纸磨去零件表面的氧化层,借助 SPECTRO MAXx06 直读光谱仪对样品表面进行化学成分测试,之后将样品表面继续磨去 0. 3 mm 左右,并对样品心部进行化学成分测试; 其次借助 Wilson Tukon2500 硬度计对零件表面、心部、断口附近进行硬度测试;再次在断口处取样,经镶嵌、磨抛、腐蚀制备成金相试样,借助 ZEISS AXIO IMAGER M2m 金相显微镜对样品进行非金属夹杂物检测、金相组织观察; 最后借助 INSPECT S50 扫描电镜对断口表面形貌进行观察,并通过扫描电镜自带的能谱分析系统对断口边缘和中部进行元素半定量分析比对。

  2、试验结果与讨论

  2. 1、夹杂物观测

  为检验导向板的断裂是否是由于弹簧钢中非金属夹杂物形态、数量、尺寸的控制不当所致,对夹杂物的数量、大小及分布进行观察,如图 2 所示。根据 ASTME45-05 非金属夹杂物的评级方法对图 2 中的夹杂物进行评级,结果为 A 2. 5、B0. 5、C 1. 5、D 0. 5。夹杂物数量、大小及分布满足60Si2Mn 材料规范 GB / T 1222-2007 中的要求,故夹杂物的分布不是造成弹簧钢断裂的原因。

图 2 导向板断口处非金属夹杂物数量及分布( 抛光态)
图 2 导向板断口处非金属夹杂物数量及分布( 抛光态)

  2. 2、能谱分析

  对样品断面不同位置一定区域内进行能谱测试,断面边缘和中部的元素含量测试结果如表 1所示,断面边缘的能谱图如图 3 所示,断面中部的能谱图如图 4 所示。可见,断面边缘和中部显示为 Fe 基体成分,两个位置成分基本没有差异,且无异常变化,故零件断裂的原因也不是表面氧化、腐蚀。

表 1 断面边缘和中部元素分析结果( 质量分数)
表 1 断面边缘和中部元素分析结果( 质量分数)

  2. 3、化学成分分析

  断裂零件表面和心部的化学成分检测结果如表 2 所示。零件心部的碳质量分数为 0. 62%,而表面的碳质量分数只有 0. 53%,表现出了明显的脱碳现象,其他元素含量在表面和心部基本没有差异。脱碳的本质是碳原子的扩散,碳素钢表层碳原子受热振动,其逸出功上升,增大了碳原子脱离金属晶格束缚的趋势,同时碳原子与氧原子的亲和力大于碳原子和铁原子的亲和力,从而出现了碳原子的扩散现象。

图 3 导向板断面边缘能谱图
图 3 导向板断面边缘能谱图

图 4 导向板断面中部能谱图
图 4 导向板断面中部能谱图

表 2 导向板不同位置处和标准要求化学成分( 质量分数)
表 2 导向板不同位置处和标准要求化学成分( 质量分数)

  2. 4、硬度测试

  脱碳层的出现往往会导致零件表面硬度的下降,李家宝[8]等曾用 X 射线衍射线半高宽和显微硬度对脱碳层的软化进行了表征,结果显示脱碳层会严重影响弹簧的疲劳寿命和硬度。断裂零件表面、心部和断口附近的硬度测试结果如表 3 所示。可以看出,零件表面、心部和断口的硬度值均低于设计要求( 42 ~46 HRC) ,尤其是零件表面的硬度最低,这也进一步证实了零件表面发生了脱碳现象。

表 3 导向板不同位置硬度检测结果
表 3 导向板不同位置硬度检测结果

  2. 5、金相分析

  试样断口经 4% 硝酸酒精侵蚀后,其组织形貌如图 5 所示。可以看出,零件表面脱碳相当严重,全脱碳层深度约为 0. 15 mm,脱碳层的出现导致表面硬度低并形成拉应力,从而大大降低零件的疲劳寿命。

  经与供应商交流后确认,零件在进行调质处理时未采取任何防止脱碳的措施,使得弹簧钢零件表面与炉气间存在较大的碳化学位梯度,促进了表面脱碳现象的产生与加剧。因此,必须采取必要的气体保护措施,以确保零件表面无明显脱碳现象。

图 5 导向板断口表面的组织形貌
图 5 导向板断口表面的组织形貌

  样品断口附近的显微组织如图 6 所示。图 6( a) 为纵向组织形貌,可以看出基体纵向有明显的带状组织。钢中带状组织是钢材内部的一种缺陷,一般认为,导致带状组织出现的最根本原因是元素偏析[9]。钢材在热加工后冷却所产生的平行于加工方向、成明显层状的铁素体带与珠光体带也会产生带状组织。钢中出现的带状组织会导致其内部组织不均,并严重危害钢材性能[10],热处理时钢材容易产生畸变、开裂等不良后果。带状组织是缩减零件疲劳寿命的次要因素。从图 6( b) 中可以看出,横向截面组织为回火托氏体,满足 GB/T 1222-2007 要求。

图 6 导向板断口附近的显微组织
图 6 导向板断口附近的显微组织

  2. 6、断口分析

  2. 6. 1、宏观断口分析

  在体视显微镜下的断口宏观形貌如图 7 所示,显示为断面平齐,断裂源于零件内侧。

  2. 6. 2、SEM 微观断口分析

  图 8( a) 为零件断口的低倍 SEM 形貌,箭头指向裂纹源,裂纹源位于零件断口内侧。图 8( b)为断裂源附近断口形貌,可以看到断裂源附近表面有微裂纹( 箭头指向) ,这是裂纹源处的主裂纹在交变应力作用下扩展所致。裂纹源处表面形貌如图 8( c) 和图 8( d) 所示,可见断口呈韧窝、疲劳台阶、擦伤及准解理特征,这说明零件失效模式属于疲劳断裂。弹簧片长期承受交变应力作用,因而疲劳断裂是其主要破坏形式[11-12]。

图 7 导向板断口宏观形貌
图 7 导向板断口宏观形貌

  如图 9 所示,断面中部发现有由非金属夹杂物引起的条状结构,该结构会降低零件的疲劳寿命。由图 10 可以看出,断口扩展区有疲劳条带,这进一步证实了零件失效模式属于疲劳断裂,断裂源于内表面受力最大处。

  3、结论

  ( 1) 车门限位臂导向板的断裂属于疲劳断裂,裂纹源位于零件内表面,断裂主要原因是零件在调质处理过程中产生了明显脱碳( 脱碳层深度约为0. 15 mm) 现象,引起表面硬度降低并形成拉应力,从而大大降低零件的疲劳寿命。

图 8 导向板断面形貌图
图 8 导向板断面形貌图

图 9 导向板断面中部形貌
图 9 导向板断面中部形貌

图 10 导向板断口扩展区表面形貌
图 10 导向板断口扩展区表面形貌

  (2) 建议导向板在调质处理过程中采用气体保护措施,严格按弹簧钢的调质处理工艺实施,确保零件表面无脱碳现象。

  参考文献
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