重型汽车摆臂开裂原因分析

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摘要：某重型汽车的一桥摆臂在服役期间发生开裂。通过宏观检查、化学成分分析、微观分析、金相检验等方法，对摆臂的开裂原因进行了分析。结果表明：该开裂摆臂的开裂模式为疲劳开裂，摆臂在锻造过程中产生了折叠缺陷，折叠缺陷内伴生夹杂及微裂纹，在工作应力下折叠缺陷成为疲劳源，最终导致摆臂开裂。

关键词：摆臂；锻造；折叠缺陷；夹杂；微裂纹；疲劳开裂

一桥摆臂是车辆转向系统的重要零件之一，其主要作用是将转向拉杆的力传递至转向节臂上，从而实现车辆的转向。某重型汽车一桥摆臂在服役期间发生开裂，该开裂一桥摆臂的材料为40Cr钢，加工工序为：下料→自由锻→模锻→喷砂→热处理→机加工→表面喷漆。为查明该一桥摆臂开裂的原因，笔者对其进行了检验和分析，以期避免此类事件的再次发生。

1理化检验

1．1宏观检查

开裂摆臂的宏观形貌如图1所示，可见开裂发生在折弯处，沿厚度方向两侧均可见开裂。开裂摆臂的表面孔位有装配痕迹，其余部位未见严重的磕碰、擦伤等外来机械损伤。将摆臂的裂纹打开后观察裂纹开裂面形貌，图2为开裂断面的宏观形貌。可见红褐色物质覆盖的较不平坦区域为开裂断面，其余断面则是打开裂纹时切割形成的，开裂断面贯通摆臂的厚度方向，并向内扩展15～20mm。开裂断面距摆臂表面1～3mm区域分布有较多小台阶，其余开裂断面则呈典型的纤维状，人字纹指向摆臂表面裂纹。

1．2化学成分分析

采用直读光谱分析仪对开裂摆臂的化学成分进行分析，结果见表1。可见开裂摆臂的化学成分符合GB／T3077－2015《合金结构钢》对40Cr钢的成分要求。

1．3微观分析

摆臂的开裂断面经抛光后，使用4％（体积分数）的硝酸酒精溶液浸蚀，其宏、微观形貌如图3所示，可见开裂断面上富集小台阶的部位内有一浅色近似扇形的区域。扇形区域的显微组织形貌如图4所示，可见其显微组织为铁素体＋片状珠光体＋贝氏体，片状珠光体轻微破碎。开裂摆臂正常区域的显微组织为中等粗细的回火索氏体＋少量贝氏体＋少量铁素体，如图5所示。在摆臂开裂断面的次表面可见多条与开裂断面平行的条带状缺陷，缺陷两侧较平滑并伴有明显的脱碳，其内部有断续分布的夹杂及微裂纹，如图6所示。

1．4金相检验

对同批次的未服役摆臂（对应开裂摆臂的开裂处）进行金相检验，试样经磨抛后的宏观形貌如图7所示。可见该处的流线呈“几”字形分布，“几”字开口朝向摆臂表面。在“几”字开口处有线状缺陷，该缺陷颜色较浅。在光学显微镜下观察，可见“几”字形缺陷两侧有轻微贫碳现象，且内部有断续分布的微孔洞、夹杂等，如图8所示。

2分析与讨论

由上述理化检验结果可知，开裂摆臂的化学成分符合GB／T3077－2015对40Cr钢的成分要求，且其显微组织正常。开裂发生在摆臂的折弯处，在开裂面的次表面可见多条与开裂面近似平行的条带状缺陷，同批次未服役摆臂对应开裂位置上的流线呈“几”字形分布，表明该区域在压应力作用下发生了剧烈的塑性变形，“几”字形开口处可见线状缺陷。通过缺陷的微观形貌，并结合摆臂的加工工艺可知，此缺陷为锻造过程中产生的折叠缺陷。折叠缺陷破坏了摆臂的连续性，成为应力集中源、裂纹源等，而且显著降低摆臂的力学性能，导致摆臂在此处萌生裂纹，在正常服役过程中裂纹会逐渐扩展。由调查可知，摆臂在喷砂结束后表面有肉眼可见的程度不一的缺陷，故对摆臂表面进行了补焊处理，断口上富集的小台阶即为补焊所致。由检验结果可知，补焊未完全消除摆臂的折叠缺陷，且补焊所用焊条与母材成分有较大差异。当摆臂出现折叠缺陷时可以通过合理的补焊工艺进行修补，但必须注意以下几点：补焊应在摆臂热处理之前；折叠缺陷应进行机械打磨，待完全消除后再进行补焊；补焊时应采用与母材成分相近的焊条。

3结论及建议

该开裂摆臂的开裂模式为疲劳开裂，摆臂在锻造过程中产生了折叠缺陷，折叠缺陷内伴生夹杂及微裂纹，在工作应力下折叠缺陷成为疲劳源，最终导致摆臂开裂。建议优化摆臂的锻造工艺，选择合适的折弯模具，以减少折叠缺陷的产生；对摆臂易产生折叠缺陷的部位进行磁粉探伤检测，加强摆臂的质量检验。

参考文献：

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作者：李琳琳 慕松 单位：陕西重型汽车有限公司