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橫向穩(wěn)定桿是汽車懸掛中橫向布置的扭桿彈簧，起到防止車身在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過大的橫向側(cè)傾和改善平順性的作用。某橫向穩(wěn)定桿在試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂。該穩(wěn)定桿的材質(zhì)為60Si2MnA，硬度要求36~42HRC，生產(chǎn)工藝流程為：下料→端部鍛造→打孔、鏜孔→整體加熱成形→淬火→回火→校型→噴丸強(qiáng)化→噴涂→標(biāo)識(shí)→包裝儲(chǔ)存。

 

一、斷口分析

 

穩(wěn)定桿斷裂于彎折過渡位置（見圖1），位于穩(wěn)定桿最大應(yīng)力分布位置——襯套安裝位置附近。

 

 

圖1  穩(wěn)定桿斷裂位置

 

斷面較平齊，沒有明顯的塑性變形特征，斷口（見圖2）呈典型的疲勞斷口特征，由疲勞裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)組成。疲勞裂紋源起于穩(wěn)定桿表面，裂紋源區(qū)未發(fā)現(xiàn)磕碰痕跡，肉眼可見由多個(gè)臺(tái)階組成、源區(qū)約占1.5mm寬度范圍，疲勞起源為多點(diǎn)起源。疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷口面積的60%。裂紋早期擴(kuò)展區(qū)光滑平坦且呈黃色，已發(fā)生銹蝕，貝紋線不明顯；后期擴(kuò)展區(qū)貝紋線清晰可見。最后斷裂區(qū)較粗糙，平面區(qū)可見快速擴(kuò)展的放射線，邊緣區(qū)為剪切唇。

 

圖2  斷口宏觀形貌

 

通過掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀觀察（見圖3~圖5），未觀察到其他明顯異常，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋（見圖4），最后斷裂區(qū)為韌窩特征（見圖5）。

 

圖3  裂紋源區(qū)微觀形貌

 

 

圖4  疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

 

圖5  最后斷裂區(qū)微觀形貌

 

二、理化分析

 

（1）化學(xué)成分

穩(wěn)定桿化學(xué)成分檢測結(jié)果（見表1）符合60Si2MnA（GB/T 1222—2016）材質(zhì)要求。

 

表1  穩(wěn)定桿化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果    （%）

 

（2）金相組織

在斷口位置附近分別取橫、縱截面樣品制備金相樣，縱截面樣垂直穩(wěn)定桿一側(cè)斷口的裂紋源切?。ń鹣郔），橫截面樣從穩(wěn)定桿另一側(cè)斷口附近切?。ń鹣郔I）。

 

對腐蝕后的金相I、II宏觀觀察，均有局部區(qū)域金相組織較其他位置顏色偏淺，金相I的異常區(qū)域形狀近裂紋源端呈扇形，金相II的異常區(qū)域近似月牙形。根據(jù)取樣位置估算，異常組織區(qū)域沿軸桿的長度為30~50mm。

 

使用數(shù)碼顯微鏡觀察金相組織（見圖6），異常區(qū)域位置的組織均為鐵素體+部分球化的珠光體。異常位置表面粗糙并有不同程度的變形，且可以觀察到由于變形量過大導(dǎo)致不易腐蝕的白色變形層，表面未觀察到微裂紋等缺陷。異常組織往里的過渡區(qū)組織為鐵素體+部分球化的珠光體+回火屈氏體，正常位置的組織為回火屈氏體+少量鐵素體。

 

圖6  穩(wěn)定桿金相組織

 

穩(wěn)定桿經(jīng)熱處理后，正常的基體組織應(yīng)為回火屈氏體或回火索氏體。實(shí)際檢測的心部組織為回火屈氏體+少量鐵素體，少量鐵素體的存在可能與穩(wěn)定桿在奧氏體溫度范圍內(nèi)的保溫時(shí)間不足有關(guān)。但穩(wěn)定桿表面的鐵素體+部分球化的珠光體組織，這是一種正火態(tài)且經(jīng)過不完全球化處理的組織，與正常的熱處理工藝組織不符。異常組織表面的灰白色變形層，可能產(chǎn)生于熱處理之后的噴丸過程中，由于組織強(qiáng)度不足導(dǎo)致局部表面噴丸過渡變形不易腐蝕引起。

 

（3）硬度分析

對穩(wěn)定桿從表面異常區(qū)域往里連續(xù)打點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果如圖7所示。從表面異常位置往里，硬度逐漸升高。異常位置（距表面約6mm范圍內(nèi)）對應(yīng)的硬度約為305HV（換算為31HRC），低于技術(shù)要求；基體硬度約為367HV（換算為37HRC），滿足技術(shù)要求。

 

圖7  穩(wěn)定桿硬度檢測結(jié)果

 

硬度檢測結(jié)果與金相組織分布一致，表面鐵素體+珠光體組織硬度偏低，心部回火屈氏體+少量鐵素體組織硬度正常。穩(wěn)定桿為整體熱處理，對于出現(xiàn)局部硬度偏低的情況，需要考慮涉及到加熱過程、冷卻過程及原始組織的影響。

 

三、現(xiàn)場工藝調(diào)查

 

穩(wěn)定桿的原材料為熱軋態(tài)的60Si2MnA棒材，金相組織為層片狀珠光體+均勻分布的鐵素體，硬度要求范圍為＜321HBW。原材料正常。

 

現(xiàn)場調(diào)查穩(wěn)定桿的生產(chǎn)工藝流程，從整體加熱成形到淬火、回火的步驟依次為：中頻感應(yīng)加熱機(jī)床對工件進(jìn)行加熱至890~950℃；使用數(shù)控彎形機(jī)對工件進(jìn)行彎折成形，數(shù)控彎形機(jī)的各成形擋塊在彎折成形前未經(jīng)預(yù)熱處理；使用機(jī)械臂將成形后的工件浸入油介質(zhì)中進(jìn)行淬火處理（穩(wěn)定桿入油溫度保證≥720℃、使用紅外測溫儀測溫）；最后在530~550℃進(jìn)行回火處理。調(diào)查穩(wěn)定桿生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)控制計(jì)劃，中頻感應(yīng)加熱床、冷卻油介質(zhì)、回火爐等設(shè)備及參數(shù)均正常，僅彎形機(jī)的成形擋塊被更換/修理過，廠家未告知具體修理方式。

 

現(xiàn)場抽查2件半成品檢測與斷裂位置對應(yīng)的表面硬度，均檢測到硬度軟點(diǎn)分別為33HRC、32HRC、34HRC，平均值33HRC；33HRC、32HRC、36HRC、平均值34HRC。

 

四、分析與討論

 

結(jié)合試驗(yàn)狀態(tài)分析，穩(wěn)定桿主要受到扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲載荷的作用，穩(wěn)定桿表面為最大受力位置。由于穩(wěn)定桿裂紋源處及附近存在較低硬度區(qū)域且低于設(shè)計(jì)要求，當(dāng)較低硬度區(qū)域所受的載荷應(yīng)力超過材料的疲勞極限時(shí)，易產(chǎn)生疲勞裂紋導(dǎo)致失效。加之，異常區(qū)域表面粗糙有不同程度的凹坑易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而加速裂紋源的形成。

 

由60Si2Mn的CCT曲線可知，當(dāng)連續(xù)冷卻速度如圖8中a、b、c、d時(shí)，得到馬氏體組織；當(dāng)連續(xù)冷卻速度如圖8中e、f、g、h時(shí)，得到馬氏體與珠光體組織；當(dāng)連續(xù)冷卻速度如圖8中i、j時(shí)，得到珠光體組織。當(dāng)冷卻過程中冷卻速度發(fā)生變化，即如圖8中k時(shí)，將得到珠光體組織或珠光體與馬氏體混合組織。

 

圖8 60Si2Mn鋼的CCT曲線

 

如圖9所示，在穩(wěn)定桿冷卻過程中，可能導(dǎo)致冷卻速度發(fā)生變化只有過程②中，如果修理后擋塊的導(dǎo)熱系數(shù)增大，將導(dǎo)致與擋塊接觸位置的溫度迅速降低，甚至低于珠光體的開始轉(zhuǎn)變溫度，以至于穩(wěn)定桿在轉(zhuǎn)移至油槽淬火前局部已經(jīng)完成全部或部分珠光體轉(zhuǎn)變，得到如圖6中的組織。

 

圖9  穩(wěn)定桿熱處理工藝曲線

 

同時(shí)，現(xiàn)生產(chǎn)過程中紅外測溫儀溫度檢測結(jié)果正常，未能測出局部溫度偏低的原因可能包含兩個(gè)方面：一是紅外測溫儀的檢測范圍沒有覆蓋到溫度偏低的位置；二是由于溫度偏低的位置在油淬前發(fā)生了奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，此相變過程為放熱過程，相變放熱及其他部位傳遞過來的熱量可能使得原來局部溫度偏低的位置溫度又有所升高。

 

綜合上述討論，為了改善局部位置硬度偏低的情況，即改善局部位置的熱處理組織，關(guān)鍵在于保證穩(wěn)定桿及局部異常位置入油淬火前的溫度高于720℃，阻止油淬前發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。有以下幾種建議改善方法：

（1）將擋塊更換為合適的擋塊，降低過程②中穩(wěn)定桿的冷卻速度。

（2）對擋塊提前進(jìn)行預(yù)熱，減少過程②中穩(wěn)定桿的降溫幅度。

（3）提高穩(wěn)定桿的初始加熱溫度①，同時(shí)控制生產(chǎn)節(jié)奏，減少過程②中的冷卻時(shí)間。

 

五、改善與驗(yàn)證

 

采用第二種改善方法進(jìn)行改善：在保證其他過程參數(shù)不變的情況下，在數(shù)控彎形機(jī)對工件進(jìn)行彎折成形前，采用手持式氣焊槍對異常擋塊進(jìn)行預(yù)熱至700～750℃，降低過程②中穩(wěn)定桿的冷卻速度，提高過程③的溫度。

 

對改善后的樣件進(jìn)行抽檢，抽檢2件的檢測結(jié)果分別為39HRC、39HRC、40HRC，平均值39HRC；40HRC、40HRC、40HRC、平均值40HRC，未發(fā)現(xiàn)硬度軟點(diǎn)及異常組織，改善成功。

 

六、結(jié)束語

 

本文主要針對穩(wěn)定桿斷裂問題進(jìn)行分析，結(jié)合穩(wěn)定桿成形及熱處理過程展開調(diào)查與討論，得到如下結(jié)論：

 

（1）穩(wěn)定桿為疲勞斷裂。

（2）導(dǎo)致穩(wěn)定桿疲勞斷裂的直接原因是表面局部硬度偏低，問題來源于成形及熱處理過程的冷卻速度問題。

（3）通過改善保證穩(wěn)定桿整體入油淬火溫度高于珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度，使穩(wěn)定桿局部表面硬度偏低問題得到解決。