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汽车防震器外筒开裂原因

2013-8-16 15:35| 发布者: fansiyuan| 查看: 5791| 评论: 0

摘要: 易海清 许玉宇 顾伟 卢书媛 王卫忠(1.上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240; 2.常熟出人境检验检疫局,常熟215500) 江苏某厂在进行汽车防震器部件组装时,发生防震器外筒开裂现象。开裂防震器外筒的材料为日本 ...
易海清 许玉宇 顾伟  卢书媛  王卫忠
(1. 上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240; 2.常熟出人境检验检疫局,常熟215500)

    江苏某厂在进行汽车防震器部件组装时,发生防震器外筒开裂现象。开裂防震器外筒的材料为日本牌号的STKM 12B机械结构用碳素钢,尺寸为φ8 mmX4 min,装配为过盈配合,即往外筒内径压人尺寸为φ40. 1 mm的轴。该外筒装配前的加工工艺过程为:圆管坯一加热一穿孔一打头一退火、酸洗一涂油一多道次冷拔*热处理,矫直一水压试验(探伤)一切割。笔者对开裂的防震器外筒进行了失效分析,以找出导致外筒开裂的原因。
1  理化检验
1.1宏观分析
图1是开裂防震器外筒的宏观形貌,可见裂纹已扩展至外筒整个壁厚方向和轴向。沿壁厚方向观察,可见开裂裂纹与外径切线约成35。角,沿轴向观察,可见裂纹与轴线约成15。角。沿开裂裂纹将防震器外筒打开制成断日试样,可见开裂断口大部分无金属光泽,且有白色物质附着,断口表现为灰暗纤维状,断口不齐平.呈韧性断裂特征。

1.2硬度测试
    分Nil对防震器外筒的正常区域和开裂附近区进行维氏显微硬度测试,试验载荷为0. 98 N。结果表明,正常区域和开裂附近区域的显微硬度分别为199 HV和175 HV,可见开裂附近区域的硬度明显低于正常区域的。
1.3化学成分分析
    分别在开裂外筒的正常区域和开裂区域取样进行化学成分分析,结果见表1,可见两区域的化学成分均满足日本标准JIS G 3445 - 2006对STKM12B机械结构用碳素钢成分的要求。

  1.4金相检验
    分别在开裂外筒的正常区域和开裂区域取样制成金相试样后在光学显微镜下进行显微组织观察。两区域的显微组织均为铁素体十珠光体,沿开裂裂纹处组织有明显的塑性变形特征。但在开区域的圆周方向发现有一个长约14 mm的巨大头渣,见图2;能谱分析结果表明该夹渣主要含有铝、氧、钙和镁等元素.见图3;同时对打开断口表面阴着的白色物质进行能谱分析,其元素成分与图2中巨大夹A的成分基木相同。由于断口附近的基体组织中并没有发现其他明显的夹杂物,因此可以认为巨大夹渣和断口L的白色附着物来源相同,均系外来污染物,并非材料本身中的夹杂物。图4显示,开裂区域附近的显微组织有一定程度地延展并伴有断裂的现象,局部放大后发现此区域晶粒大小极不均匀,由正常区域向开裂区域逐渐变粗大。

图5显示,在主裂纹的两侧发现多处沿晶小裂纹,由粗变细逐渐向材料内部扩展;且主裂纹两侧的铁素体晶粒尺寸相差悬殊,位于近外壁侧的铁素体晶粒较祖大,达6.5级,而位于近内壁侧的铁素体晶粒较细小,为9.5级,与正常区域的铁素体晶粒度大小一致。由图5还可见,铁素体品粒粗大一侧显微组织中的珠光体含量较正常区域中的少,说明该区域存在一定程度的脱碳现象。

2  综合分析
    根据以上分析结果,外筒正常区和开裂区材料的化学成分均符合技术要求,但开裂附近区域的硬度低于正常区域的。根据金相检验结果可知,正常区域和开裂区域的显微组织均为铁素体+珠光体,但裂纹一侧的铁素体晶粒度尺寸明显比正常区域的天,且铁素体晶粒粗大一侧的显微组织中珠光体含量也较正常区域的少,存在一定程度的脱碳现象。由于开裂区存在一定程度的脱碳,且铁素体晶粒较粗大,致使该区域的强度和硬度降低,因而开裂附近区域的硬度低于正常区域的。
    裂纹一侧的铁素体晶粒尺寸明显比正常区域的粗大,可能是由于在管坯热穿孔阶段发生了微过热现象。一旦出现了4小裂纹,裂纹两边山干空气的进人而反应导致脱碳,裂纹附近出现贫碳区,晶粒长大的阻力减小,所以裂纹附近的铁素休晶粒尺寸比正常区域的要粗大。晶粒尺寸差别越大,大晶粒吞食小晶粒的条件越有利,大晶粒的长大速度也会越来越快,最后形成晶粒大小非常不均匀的组织粗大品粒和非常不均匀的显微组织,降低了材料的强度和韧性。
    由开裂防震器外筒的宏观形貌和裂纹两侧显微组织有明显塑性变形的特征均可推断外筒开裂为韧性开裂,导致其韧性开裂的主要原因应该是装配应力过大造成的。由于该防震器外筒装配为过盈装配,其在装配时使防震器外筒产生一定的装配应力,当装配应力过大时,使得外筒在显微组织晶粒度不均匀处,即强度和韧性较低处发生开裂。

3  结论和建议
    汽车防震器外筒开裂为塑性开裂,装配应力过大是造成开裂的外部原因;材料局部区域存在脱碳、晶粒尺寸粗大、组织不均匀和硬度偏低致使该区域材料的强度和韧性降低,这是防震器外筒开裂的内在原因。
    一旦存在这样严重缺陷的防震器外筒配件装配到汽车中,且如断裂失效发生在汽车行驶过程中,将可能产生不可估量的后果。因此建议生产厂家对显微组织中粗大晶粒、晶粒不均的原因做切实调查,改善原材料的洁净度和均匀细化晶粒,并加强无损检测,以确保此类机械结构用碳素钢管的性能,从而杜绝安全隐患。

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