失效分析丨球頭銷-汽車轉向拉桿連接部分的重要零件

背景介紹

球頭銷是汽車轉向拉桿連接部分的一個重要零件，用于轉向機構的鉸接(如汽車的轉向機構和懸架的鉸接)，要求表面耐磨，心部能承受一定的強度和韌性。某40Cr材質的球頭銷在汽車道路試驗運行到29000公里時發生斷裂，整車的車身、底盤件無異常碰撞等受力痕跡，同批次的另外4臺車正常完成道路試驗。下文通過對比檢測失效球頭銷（下文簡稱NG件）和正常球頭銷（下文簡稱NG件），找出其失效原因。

檢測分析

1 外觀檢查

通過對球頭銷的外觀形貌觀察，發現失效件斷口距離球心約24～25毫米，是在與節臂錐形孔大邊緣配合位置附近斷裂，OK件螺紋段及斷口對應位置已銹蝕（如圖1和圖2）；發現失效件螺紋有碰傷，OK件螺紋雖有銹跡，但螺牙完整（如圖1和圖2）；失效件斷口附近表面呈淤泥狀碾壓磕碰痕跡，OK件相同位置有銹蝕，但銹斑下加工紋路完整（如圖3和圖4）。斷口與球頭銷軸線大致垂直，存在兩個主斷面（如圖5），斷面1用A、B、C分別標示出裂紋源區、裂紋擴展區及快速斷裂區；斷面2用A1、B1和C1分別標示裂紋源區、裂紋擴展區、快速斷裂區。兩個裂紋擴展區都有與裂紋擴展方向垂直的疲勞弧線，其中B區的疲勞弧線比B1區的疲勞弧線紋路細，間距小，較早開裂。由于斷面1中的裂紋源A區產生早，磨損率高，斷口發亮，放大后發現裂紋擴展溝道線起源于表面凹坑（如圖6和圖7）。斷面2裂紋源A1區有多個裂紋源（如圖8），裂紋擴展溝道更深，也起源于表面的凹坑處。

2 SEM+EDS檢查

裂紋源A區表面觀察到磨痕及彌散分布的白色塊狀磨料，凹坑內仍有洗不掉的贓污附著（如圖9），放大觀察發現二次裂紋沿晶開裂（如圖10）。選擇凹坑附近微區1～5做EDS探測分析，探測出各元素含量的具體結果編入表1中。分析探測結果，微區1、微區2和微區4含有機成分，微區3是污染輕微的40Cr鋼基體成分，微區5中的塊片不但含有大量的碳和氧，還有硫，及氯、鈣、鈉元素，硫是橡膠防塵罩的組成元素。裂紋源A區凹坑內存在橡膠磨屑，表明A區表面最早出現凹坑。

表1 EDS分析結果(Wt%)

在裂紋源A1區表面凹坑處（如圖11），裂紋由表向內擴展，凹坑內沒有發現在A區凹坑內發現的有機成分及橡膠磨屑，放大觀察發現了韌窩聚集（如圖12），韌窩圓形，沒有滑移變形，材料是在表面應力高度集中，在大的拉應力條件下開裂。同時觀察到疲勞條紋帶（如圖13），證實是疲勞斷裂。快速斷裂區中束狀撕裂棱及螺旋型臺階是高低不同（如圖14），相向擴展又不同軌的兩個斷面相互吸引，相互聚合的結果。

3 金相檢查

分別從NG件的裂紋源A區附近及OK件對應NG件裂紋源附近取樣，拋光后檢查縱向剖面。金相檢查結果顯示，NG件表面與心部組織相同；OK件邊緣組織與心部組織顏色略有差別。高倍觀察NG件金相組織為回火S+少量F，根據GB/T13320評定為2.5級。分別高倍觀察OK件邊緣和心部金相組織均為回火S，邊緣組織晶粒尺寸略小于心部組織。根據GB/T13320評定兩者同為1級。NG件金相組織尺寸稍大，并存在少量鐵素體，降低材料硬度和強度，降低材料表面抗碾壓能力，降低材料疲勞強度。

圖15 NG件斷口裂紋源附近組織

圖16 OK件對應NG件裂紋源附近組織

圖17 OK件心部組織

4 硬度試驗

在斷口附近取樣，檢查NG件與OK件橫截面硬度，結果記入表2中。結果顯示，NG件表面和心部硬度一致；OK件表面硬度比心部硬度略有增加，但差別不大。OK件表面硬度平均值比NG件表面硬度平均值高54HV1，OK件表面具有更高的抗磨損抗碾壓能力。OK件材料整體硬度高于NG件，OK件抗疲勞強度也更高。

表2 硬度檢查結果（HV1）

5 化學成分分析

采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學成分，分析結果見表3，與GB/T 3077對照，無論是失效件還是OK件，所有元素含量都在40CrA正常范圍內。

表3 化學元素分析結果(Wt%)

分析與討論

如圖18所示，當汽車運行路況不好時，輪胎上下顛簸，節臂以球頭銷為支點上下往復運動，對球頭銷左右兩個半邊周期性施加拉壓應力。如果球頭銷鎖緊螺母松動，那么球頭銷在節臂錐形孔中容易上下穿動，甚至左右搖擺，節臂錐形大孔邊緣因此周期性碾壓球頭銷側表面。球頭銷沒做表面熱處理，表面硬度不高，側表面因此被碾壓出淤泥狀坑洼不平的表面形貌。

材料表面粗糙度與材料的疲勞強度密切相關，當球頭銷表面受損后，在坑洼的位置形成缺口效應，應力高度集中，當應力大于凹坑尖端擴展門檻值時，坑洼的尖銳處向內擴展出裂紋，這就是最初的疲勞裂紋形成的原因。

疲勞裂紋在周期性橫向力作用下，繼續擴展，形成B區裂紋擴展面。隨著斷面1（A、B、C）疲勞裂紋擴展，球頭銷有效截面積逐漸減小，應力逐漸增大，達到某一臨界點，裂紋源A1區表面應力高度集中，同時出現多個裂紋源，疲勞擴展，形成斷面2（A1、B1、C1）。

斷面1和斷面2高度不同，相向靠近，最后形成束狀撕裂楞和螺旋臺階，球頭銷隨機分離成兩段。

球頭銷失效件金相組織中有少量鐵素體，硬度低于OK件54HV1，疲勞強度也相應更低，有利于疲勞裂紋的產生和擴展。

圖18 球頭銷工作示意圖

結論

球頭銷在節臂錐形孔內穿動，表面受節臂錐形孔邊緣碾壓破損是導致球頭銷早期疲勞斷裂的主要原因，球頭銷金相組織內析出鐵素體，硬度降低，對疲勞斷裂有促進作用。

建議

1) 裝配檢查；

2) 球頭銷增加表面熱處理（如高頻淬火、軟氮化等），提高表面抗磨損、抗碾壓能力。

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