某锻造零件断裂的失效分析及改进

　　【摘要】在某锻造零件的开发过程中进行耐久性试验时发生了断裂问题。经分析发现断裂模式为表面多点起裂的扭转疲劳断裂，主要原因是:锻造流线的不连续和表面开口的缺陷，易导致疲劳断裂;过渡角处的材质未经表面硬化处理，其疲劳强度较低。基于分析结论，结合零件实际情况，提出了易于实施、几乎不提高成本的解决措施:对过渡角处进行表面淬火硬化，不但能提高此处的疲劳抗力，也可改善流线缺陷。针对本案例涉及的锻造流线缺陷问题，还提供了控制及检验参考方法，以及改善措施。
　　
　　【关键词】锻造扭转疲劳流线
　　
　　0引言
　　
　　某传动零件前期设计完成后，在道路试验场进行耐久性测试，但试验只进行到58．5%时就发生了断裂问题。断裂零件照片如图1所示。该零件主要由锻造加工成型，材质为中碳钢。
　　1试验与分析
　　
　　1．1断口分析
　　
　　断口位于零件上的过渡角处，此处本身就有结构上的应力集中。两匹配断口低倍形貌如图2所示，此断面分为4部分:边缘为3块光滑部分，中心为1块大三角形部分，与零件构造有关。边缘3部分为先开裂部分，中心三角形为最后断裂区，裂源位于边缘，为了描述方便按断面先后断裂次序分为A、B、C、D及E区。
　　部分断口低倍形貌如图3所示，A区断面形貌如图4所示，断面有条纹及表面有裂纹;B、C区断面形貌如图5、图6所示，仅可见因受力而形成的纹路，显微结构则被磨光;D区断面形貌如图7所示，可见断面呈方向性韧窝;E区断面形貌如图8所示呈等轴韧窝。
　　综上分析判断断裂模式为:在过渡角表面多点起裂的扭转疲劳断裂(起裂点分布在表面一圈);最后断裂区显示为过载韧性断裂特征，位于断口中心的三角形区域。
　　
　　1．2表面质量分析
　　
　　断口分析显示，起裂位置在过渡角表面。对该过渡角处的表面进行观察，发现机加工刀痕较深，且未磨光(如图9、图10所示)，容易成为疲劳裂源。
　　1．3锻造流线分析
　　
　　对现有工艺的成品(同失效件状态)进行锻造流线的分析发现，流线在过渡角处不连续，有流线在表面开口，这是由于对过渡角的机加工导致流线被切断。对失效件断口处进行纵剖面的显微观察，确实发现了锻造流线在过渡角处不连续，且流线在表面开口，如图11、图12所示。流线开口属于一种表面缺陷，易导致表面疲劳起裂。
　　对断口处进行纵剖面显微分析发现，断口的疲劳区起裂于表面开口的流线并沿着流线方向扩展，直至最后断裂区由于应力过载拉断所剩不多的材料。这说明表面开口的流线这一缺陷是导致疲劳断裂的重要原因。通过表面硬化的热处理可改善流线缺陷。
　　
　　1．4化学成分及夹杂物评测
　　
　　对失效件进行化学成份及夹杂检测，各指标参数符合规范要求(材料属中碳钢)，结论为合格，如图13所示。 　
　　2分析结论
　　
　　分析显示断裂模式为:在过渡角表面多点起裂的扭转疲劳断裂(起裂点分布在表面一圈)。引起此处疲劳断裂的原因有:
　　
　　(1)断口位于过渡角处，此处本身就有结构上的应力集中。
　　
　　(2)起裂处的表面有较深的机加工刀痕，容易成为疲劳裂源。
　　
　　(3)锻造流线在过渡角近表面处不连续，有流线开口，导致疲劳裂纹起始于表面并沿着流线方向扩展。
　　
　　(4)过渡角处的材质未经表面硬化处理，其疲劳强度较低。
　　
　　3解决措施
　　
　　基于失效分析的结论，建议采用以下措施解决问题:对过渡角处进行表面淬火硬化，以提高此处的疲劳抗力，同时由于材质组织经过高温相变的重整，减轻甚至消除了流线组织，因而会改善流线缺陷。在采取以上措施的同时，也可在以下方面加以改进:(1)加大过渡角弧度，以减小应力集中;(2)改进机加工进刀参数，或者机加工后研磨表面，以减轻刀痕缺陷。
　　
　　此零件的服役最大载荷为350Nm扭矩，而在旧款车型上的服役最大载荷稍低为300Nm扭矩，多次执行相同的耐久性试验从未出现断裂问题。这说明，有此流线缺陷的零件仍能满足较高的扭力疲劳寿命要求(这应该是结构设计上的功劳)，而导致疲劳失效的扭矩仅高出16．7%，因此只采取过渡角处表面硬化的一项措施应该就能解决问题，且该措施易于实施，几乎不提高成本。
　　
　　4验证
　　
　　供应商按照上述改进方案重新制造了一批零件。改进前后2种状态零件的表面硬化层和锻造流线样式如图14、图15所示。最后，按改进方案制造的零件通过了设计要求的耐久性试验，保证了该车型的后期开发进度。
　　5结语
　　
　　对于有锻造工艺的金属零件，其材质通常会出现锻造流线，当应用于有恶劣的表面疲劳载荷的场合时，如果零件的高应力区有流线不连续、表面开口的缺陷则易导致此处表面萌生疲劳裂源、裂纹沿流线扩展的失效问题。因此需要对此类零件的锻造流线在高应力区表面的连续性进行规定、控制和检验，相关标准可参考SAE/USCAR－8。采取合适的高温热处理措施(如表面硬化、正火、高温退火等)，由于材质组织经过高温相变的重整，减轻甚至消除了流线组织，能够改善流线缺陷。