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轴承知识
关于汽车金属零部件断裂失效的质量鉴定
王峥 柴智勇 张元
(中国汽车技术研究中心,天津市 300000)
  摘 要:断裂失效是汽车金属零部件失效中最常见也是危害最大的一种形式,其一旦发生,将会引起重大的经济损失和人员伤亡。本文分别概述了疲劳断裂、韧性断裂和脆性断裂,通过实际案例,对汽车金属零部件断裂失效进行质量鉴定,研究金属零部件断裂失效的特征与规律,找到断裂原因,分清事故责任,为有关部门提供行政执法的理论依据。
  关键词:断裂失效;质量鉴定;汽车金属零部件
  1 引言
  近几年来,在汽车产品质量鉴定案件中,汽车金属零部件断裂失效占有较大比例,因为零部件断裂失效是金属失效中危害最大的一种形式,其一旦发生,将会引起经济损失和人员伤亡等严重后果。所以对汽车金属零部件断裂失效进行质量鉴定,研究金属零部件断裂失效的特征与规律,找到断裂原因,分清事故责任,为有关部门提供行政执法的理论依据。
  汽车金属零部件在断裂失效时会形成一对相互匹配的断裂表面,即断口,断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方,并忠实地记录金属断裂时的全过程,即裂纹的产生、扩展直至开裂;同时也记录着裂纹扩展的途径、扩展过程及内外因素对裂纹扩展的影响。因此,在进行零部件断裂失效分析时,断口即作为切入点,形貌特征分析,材料组织和性能检测,判断零件的受力状态以及使用环境条件(温度、介质等)等,揭示断裂失效的特征与规律,找到断裂原因,提出科学、公正的司法鉴定意见。其中,断裂失效形式按照不同的分类方法,可分为很多种,其中按断裂性质分类,可分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。
  2 疲劳断裂失效
  2.1概述
  疲劳断裂是汽车零部件中最常见的失效方式之一,它是汽车金属零部件在交变应力作用下,经过周而复始的运动发生的断裂现象。一般疲劳断裂的应力远远小于材料的屈服强度σ0.2,断裂前无明显的塑性变形,是一种低应力脆断破坏现象。疲劳断裂是损伤累积过程的结果,包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段,不同阶段损伤方式和损伤量不同,其与材料特性、尺寸形状、服役条件环境等有密切的关系。
  根据汽车金属零部件破坏时总的应力循环次数或称疲劳寿命来分类,可分为高周疲劳和低周疲劳断裂失效。高周疲劳时应力在屈服强度以下,零件的寿命主要由裂纹的形核时间控制;低周疲劳时应力可高于屈服强度,其零件的寿命受裂纹扩展速度的影响较大。70%-80%的汽车金属零部件为低应力高周疲劳断裂。
  2.2实际案例
  某紧固螺栓发生断裂失效,如图1所示,宏观下观察即可看到明显的贝壳花样,即疲劳弧线,将该螺栓置于扫描电子显微镜下进行微观观察,可见清晰的微观疲劳条纹,属于典型的疲劳断裂。该断裂起始于螺纹根部表面、次表面小区域,为为穿晶疲劳多源裂纹;扩展区为疲劳纹和韧窝相间交替的混合断口,表示裂纹前沿在间歇扩展;瞬断区的断口为为韧窝断口形态,如图2-4所示。综上,可判断螺栓断裂属于低载荷下高应力集中的轴向拉伸疲劳断裂。

  该螺栓螺纹处存在微细小裂纹构成了应力集中,形成裂纹源,螺栓继续受交变循环应力作用,裂纹进一步扩展致断裂,非由于事故造成的断裂。
  3 韧性断裂失效
  3.1概述
  韧性断裂一般是在汽车金属零部件过载断裂前,在断裂部位出现的明显塑性变形,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度发生的断裂(延性断裂或塑性断裂)。
  由于金属零部件发生韧性断裂的微观特征是韧窝形貌,它是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集,最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。韧性断裂的断口附近有明显宏观塑性变形;断口外形呈杯锥状铣刀断口,杯底垂直于主应力,锥面平行于最大切应力,与主应力成45°角;断口表面呈纤维状,其颜色呈暗灰色。
  3.2实际案例
  某品牌SUV在没有中间隔离带的城市公路上行驶,突然左转,与对向行驶的某轿车相撞,造成2人死亡,2人重伤的交通事故。事后发现该SUV的左前转向节下控制臂球节支座发生断裂,为此河北省某法院委托车辆鉴定中心对金属零部件断裂原因进行司法鉴定,以还原事故真相,分清事故责任。
  将被鉴车辆左前转向节下控制臂球节支座拆卸,如图5所示,可见连接螺栓部位断裂缺失,断口处有沿车辆向后方向的塑性变形,并有裂纹,断口表面有锈蚀。将支座断口试样置于扫描电镜下进行微观检验,检验结果如图6所示。通过观察发现支座断口微观形貌均为韧窝形貌,无冶金缺陷,因此该断裂为韧性断裂。
  对支座试样进行硬度检验,结果为布氏硬度193。取支座试样进行金相组织检验,可以看出球墨铸铁石墨球化级别为1级,且球化良好、均匀,内部组织为铁素体+珠光体组织,主要基体组织为铁素体,各个区域组织均匀,如图7所示,支座硬度性能和金相组织均符合相应标准要求,因此认定该支座不存在质量问题。综上,该SUV左前转向节下控制臂球节支座断裂原因是:左前转向节下控制臂球节支座受到沿车辆向后的外力作用,致使该支座发生塑性变形,并有裂纹,最终导致断裂。
  4 脆性断裂失效
  4.1概述
  脆性断裂是金属零部件未发生宏观塑性变形,其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。由于脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,因此脆性断裂大都突然发生,没有事先预兆,对人身及车辆安全造成极其严重的后果,所以脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效形式。
  脆性断裂可分为沿晶脆断与穿晶脆断(解理断裂)。沿晶断裂又称晶间断裂,即多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离。在通常情况下,金属晶界的键合力高于晶内,断裂扩展的路径是穿晶断裂,而非沿晶断裂,但如果热加工工艺不当,造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相等因素出现时,晶界的键合力被严重削弱,在低于正常断裂应力情况下,被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。因此,在零部件中发生的沿晶断裂均属非正常断裂情况。
  4.2实际案例
  某SUV进口车在高速公路行驶时传动轴突然断裂、脱落,随后又追尾了一辆小轿车和一辆微型面包车,造成了两人受伤,车辆受损的交通事故。该车主认为车辆在行驶中没有任何误操作,系该车存在产品质量问题造成此次事故,其汽车生产厂家与销售商应承担相应责任,因此诉至法院向生产厂家和销售商提出索赔。辽宁省某法院委托车辆鉴定中心对该车传动轴断裂原因进行鉴定,鉴定该事故是否是车辆质量问题导致,以查清事故原因,分清事故责任。
  该车辆前传动轴(变速箱端)脱落,万向节叉断裂,如图8所示;传动轴A侧万向节叉断裂,不完整,有明显塑性变形,与之相连的十字轴、十字轴套筒及滚针等均已缺失;B侧十字轴套筒有破损开裂,内部滚针脱落,将B侧联接处万向节叉拆卸,如图9所示,十字轴套筒断裂,断口周围无塑性变形。取B侧断裂的十字轴套筒断口试样置于扫描电镜下进行断口微观形貌检验,其套筒截面断口为典型的沿晶与穿晶解理混合断口,以沿晶断口为主,断口表面有二次裂纹,可见“鸡爪痕”,如图10-11所示。
  取B侧十字轴套筒试样进行金相组织检验,十字轴套筒表层组织为马氏体,心部为铁素体+贝氏体,各个区域组织均匀,表层裂纹显示出明显的沿晶扩展特征,如图12-15。
  对其能谱分析显示套筒材料表层碳含量明显高于心部,未添加合金元素,可推断套筒经过渗碳表面处理,为碳素钢。对其显微维氏硬度检验,其由表面到心部硬度逐渐降低,表面层硬化明显。
  综上所述,该车辆前传动轴B侧十字轴套筒的断裂是沿晶断裂,其组织、性能均无异常。由于该十字轴套筒材料材质、牌号及加工工艺委托人均未能提供,所以对十字轴套筒沿晶断裂进行分析,有可能为氢致延迟断裂,而氢应为套筒生产(冶炼、酸洗、渗碳、电镀等)环节引入。最终意见:该车辆由于质量问题导致其前传动轴在车辆正常行驶过程中发生断裂、脱落。
  5 结语
  随着我国汽车保有量的增加,汽车安全问题更为突出,在汽车交通事故和质量事故中涉及金属零部件断裂失效案件有很多,其危害很大,所以需要司法鉴定人员深入细微观察,科学综合分析,得出科学质量鉴定意见,作为鉴定事故责任、实施技术保险业务、侦破犯罪的依据,这对于维护司法公正具有十分重要的意义。而对于车辆生产厂,汽车金属零部件断裂失效的质量鉴定可为设计、生产、使用或维修的各个环节提供理论依据,能够采取有效的改进与预防措施,防止同类事故再次出现,对于提升汽车产品质量和使用安全性都有着积极的促进作用。
来源:《时代汽车》2017年第12期
发布时间:2019-09-18


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