汽车横向稳定杆断裂分析

褚明志，曾云玲

广汽乘用车有限公司 广东广州 511434

1 序言

横向稳定杆是汽车悬架中的一种辅助弹性元件。当车身只作垂直运动时，两侧悬架变形相同，横向稳定杆不起作用。但当汽车转弯时，车身侧倾，两侧悬架跳动不一致，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆就会发生扭曲，杆身的弹力会阻止车轮抬起，从而使车身尽量保持平衡，起到稳定车身作用。喷丸强化工艺因其适用范围广、实用性好、价格低廉等特点，并能够显著改善材料表面的特性，提高其耐蚀性和疲劳性能，常用于稳定杆、弹簧、齿轮等产品的表面强化[1，2]。随着乘用车朝轻量化发展，如高强度硼钢、铝镁合金、质量轻应力高的空心横向稳定杆获得广泛的应用，相较于实心杆外径增加了11.8%，但质量可以减少30%～40%[3，4]。空心横向稳定杆热处理工艺一般为淬火+中温回火。

某车型空心横向稳定杆在安装后突然发生断裂。零件采用材质为34MnB5钢，公称外径26mm，壁厚6mm，要求淬火温度为（865±35）℃，回火温度为（300±10）℃，硬度42～50HRC，抗拉强度要求≥1300MPa。横向稳定杆生产流程为：来料检验→开料→冷弯成形→整体加热→约束淬火→回火→端部加热/成形→工序检验→校准→喷丸→涂装→打标识→端头浸漆→硫化→组装→成品检验→包装。

2 试验过程与结果

2.1 断口宏观观察

如图1所示，横向稳定杆安装时A、B点与车身连接，C、D点与车轮连接，当汽车通过凹凸路或转弯时，为保证车身稳定性与车身相连的A点和B点处受到较大的扭力。通过对断口清洗后进行观察（见图2）。在断口附近未见明显外伤和塑性变形，裂纹源处于稳定杆的折弯处附近的内侧，裂纹从表面向心部扩展，裂纹沿两边进行扩展最终在瞬断区断裂。根据零件断裂形貌结合零件受力情况，推测零件是在受到较大扭矩时发生的延迟脆性断裂[5]。

图1 故障件

2.2 断口微观观察

由图2可见，稳定杆裂纹源区和扩展区晶粒明显、晶界清晰、无微观塑性变形，呈冰糖状形貌，并在晶界处伴有二次裂纹，如图3、图4所示。瞬断区是由平坦的小平面、微孔及撕裂棱组成的准解理断裂特征，如图5所示。

图2 断口宏观形貌

图3 裂纹源

图4 扩展区

图5 瞬断区

2.3 材质测试

采用GB/T 4336—2002 《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》规定进行测试，结果满足供应商提供的材料协议。

2.4 硬度测试

在故障件断口附近和新试样相似位置取样，采用GB/T 230.1—2009 《金属材料洛氏硬度测试方法》进行测试，失效件和对比件硬度为47.0～48.5HRC，满足工艺要求的42～50HRC。根据德标DIN50150进行强度换算，抗拉强度为1500～1600MPa，满足抗拉强度≥1300MPa的要求。

2.5 金相分析

在断口附近取样进行金相分析，发现一条长度约1.4mm的裂纹（约为壁厚的1/4）如图6、图7所示。在裂纹两侧未见明显脱碳现象（见图8、图9），裂纹刚直并沿晶界扩展，是典型因冷却速率过快而引起的淬火裂纹。

图6 表面抛光态（50×）

图7 表面侵蚀（100×）

图8 断口处（500×）

图9 出口处（500×）

在新件相近位置取样进行金相分析，两个试样表面均无脱碳现象（见图10、图11），未见明显的非金属夹杂物及其他缺陷，组织为均匀的回火屈氏体（865℃淬火+300℃回火），符合热处理工艺要求。

图10 样品表面（500×）

图11 对比试样（500×）

3 讨论分析

3.1 失效性质及原因分析

送检样品硬度和材质符合相关标准要求，裂纹两侧未见明显脱碳现象，断口呈现延迟断裂特征。由生产工艺可知，产品在冷弯成形、约束淬火、冷校准和喷丸工序阶段，将产生较大的应力。

34MnB5钢中B元素在提高材料强度、淬透性同时，增加了淬火开裂倾向性。在对故障件批次生产工艺参数进行确认时，加热温度860℃，淬火冷却介质温度5℃，回火温度300℃，淬火冷却介质温度属生产最低淬火温度，认为可能是因淬火冷却介质温度过低而引起开裂。水溶性淬火冷却介质推荐使用温度为20～40℃[6]。由于淬火过程最大冷却速率一般出现在低温阶段，因此低温淬火会增大开裂 倾向[7]。

为验证不同温度对34MnB5钢开裂倾向的影响，将淬火冷却介质初始温度按表1进行设置，分别进行淬火验证，试样淬火开裂倾向结果见表1。测试结果表明，当淬火介质温度为10～15℃时，出现淬火裂纹的概率明显高于其他两个温度，且淬火裂纹出现的位置与产品断裂的位置相似，均为冷弯折弯处，如图12、图13所示。其原因是工件在淬火时表层马氏体形成速率相对较慢，从而在表面形成较低的压应力，在随后冷却时，因心部马氏体相变膨胀，最终导致表面具有较高的拉应力[8]。因马氏体转变的不同步及表面与心部存在应力差，所以更容易增大试样应力或R角处造成开裂。当淬火冷却介质温度过低时，更容易开裂或在试样表面形成裂纹，微裂纹的存在可能会导致零件早期断裂。对其进行疲劳耐久试验测试结果见表1，其宏观断口形貌与故障件宏观特征相似。

图12 折弯处磁粉检测结果

图13 杆部磁粉检测结果

热处理后需要通过机械校正来纠正工件的变形且校正后应进行消除残余应力处理[9]。如果在高应力位置进行校正，在外力的作用下，可能导致产品内部提前产生微小裂纹[10]或进一步扩展试样中存在的裂纹，从而加剧了使用过程中零件失效的风险。对不同状态的试样校准后进行耐久疲劳测试，结果见表1。

表1 不同温度淬火结果

3.2 改进措施

为避免类似失效再次发生，建议从以下方面进行改善。

1）完善原始记录表，将淬火冷却介质初始温度纳入点检表并制定标准温度范围，发现异常时及时进行调整。

2）建议严格管控淬火冷却介质温度，产品出厂前进行100%无损检测，预防缺陷的产品流出。

3）避免因残余应力、淬火拘束应力、冷却速率过快及热处理变形校正等多重因素叠加而造成的开裂，采取优化现有热处理工艺，使用冷却速率更缓慢的PAG[11，12]淬火冷却介质措施。

4 结束语

1) 零件断口特征为脆性开裂，开裂原因为试样表面处在淬火裂纹处。

2) 零件裂纹源区微观断口具有延迟开裂特征，主要与淬火拘束应力、冷却速率及变形校正有关，其中热处理工艺不当为断裂的内因，机械校正为外因。