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汽车转向垂臂断裂原因分析

黄飞，朱兴江，张久峰，甘正斌，卢丹

(国家钢铁及制品质量监督检验中心 安徽 马鞍山 243000)

摘 要：通过化学成分分析、硬度测试、金相检验及断口分析等对汽车转向垂臂断裂原因进行了分析，结果表明，转向垂臂退火态组织硬度未达到设计使用要求及臂身表面脱碳严重，导致材料的疲劳强度降低，造成了转向垂臂的早期断裂。

关 键 词：疲劳断裂；硬度；脱碳；显微组织

转向机构是汽车的重要机械构件，对汽车的正常运转具有重要意义，转向垂臂是保证转向机构正常工作的重要零件，某汽车转向垂臂运行两周内发生断裂，为查明断裂原因，依据委托方提供的技术要求，笔者对断裂的转向垂臂进行了理化检验和分析。

1 理化检验

1．1 断口分析

断裂转向垂臂的宏观形貌如图1所示。由图可知，转向垂臂断裂的位置位于垂臂的臂身处，断口与垂臂的长度方向轴线呈近似45°角，可知其为典型的塑性断裂，其断口形貌如图2所示。由图可知，断面可见金属条纹和隐约不规整的贝纹线推进线，可以推断起裂点位于如箭头所示的位置，其为疲劳断口。

1．2 化学成分分析

从断裂的转向器垂臂上取样块，在ARL3460火花直读光谱仪上按照GB/T 4336—2002^[1]进行化学成分分析，结果如表1所示。由表可知，该曲轴的化学成分符合委托方提供的技术要求。

1．3 硬度测试

分别在断裂转向垂臂断口附近及头部处取样，按照GB／T230．1—2009^[2]进行洛氏硬度试验，测试结果如表2所示，由表可知，技术要求中，对成品转向器垂臂臂身的最终硬度要求为23～28HRC，而实际测量的垂臂截面中心硬度结果均小于23HRC，而表面硬度与所要求相差更大，该断裂曲轴的硬度远未达到技术要求的规定。

1．4 金相检验

1．4．1 非金属夹杂物

在断裂的转向垂臂断口附近取纵向试样，经粗磨，细磨，粗抛，精抛后在Observer．A1m型金相显微镜下观察，根据GB／T 10561—2005^[3]A法评定非金属夹杂物级别，结果如表3所示。由表可知，除D类和少量A类非金属夹杂物外，并无其他非金属夹杂物，A类和D类夹杂物在尺寸较小、级别较低的情况下，算不上是连续性缺陷，一般认为，对材料的性能不会产生太大的影响^[4]。

1．4．2 显微组织

在断裂垂臂处附近取横向试样，金相制样后经体积分数为4%硝酸酒精腐蚀，其显微组织如图3(a)所示。其心部及表层组织显微组织均为珠光体+铁素体，为典型的亚共析碳钢退火或者正火组织，比较图(a)和图(b)可知，垂臂横截面心部组织的晶粒度较表面组织细；心部铁素体呈网状分布；在较高放大倍数下，可见明显的珠光体片层结构，如图4所示。很显然，此种显微组织状态不能满足委托方提供的硬度技术要求(23～28HRC)，而要做到此硬度水平，对于此种碳钢，一般采用调质处理。仔细观察试样表面可知，其表面具有明显的脱碳，总脱碳层深度约为0．32mm，如图5所示。脱碳层的存在严重弱化了转向垂臂的表面硬度，使其表面出现软区。

2 分析与讨论

汽车转向时，即转向器工作时，转向垂臂连着转向器和转向直拉杆。转向盘和转向器输出的力和运动传给转向垂臂，再由转向垂臂传给转向机构(直拉杆或横拉杆)，使汽车轮转向。转向垂臂处于传递运动和力的旋转运作状态，其受到垂直于臂身的转向直拉杆或者横拉杆的反作用力的作用，在臂身的表面会产生应力集中，而转向垂臂表面脱碳，臂身表面硬度远低于设计技术要求，转向时，会在转向垂臂表面萌生裂纹源，而垂臂截面心部虽具有一定硬度，但其仍低于设计要求，转向垂臂疲劳强度较低，裂纹沿受力方向扩展，汽车往不同方向转向时，垂臂承受交变载荷作用。从材料显微组织分析结果看，转向垂臂的显微组织形态为中碳钢退火组织，其材料强度级别不高^[5]，其硬度很难满足技术要求。此外，其心部组织晶粒较大，铁素体呈网状分布，这都增加了断裂的敏感性。

3 结论与建议

1)该转向器垂臂断裂形式是在交变载荷条件下的疲劳断裂。

2)材料表面脱碳较严重及本身的热处理状态导致其硬度不能满足设计的技术要求

3)建议对此类转向器垂臂臂身采用调质处理来代替退火或者正火，同时，停用此批汽车转向器垂臂。

参 考 文 献：

[1]   GB／T4336—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)[S]．北京：中国标准出版社，2003．

[2]   GB／T230．1—2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法[S]．北京：中国标准出版社，2009．

[3]   GB／T10561—2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法[S]．北京：中国标准出版社，2005．

[4]   朱民进．钢中非金属夹杂物对性能的影响[J]．电气牵引，2004，(2)：55—57．

[5]   顾宝兰，张雪涛，徐彤．45钢电机轴断裂分析[J]．理化检验—物理分册，2013，49(5)：327—329．