分享：汽车减振器活塞杆断裂原因

活塞杆是汽车悬架减振器的核心零部件,其在实际工况中受轴向、侧向往复力及摩擦力的作用,易发生疲劳和磨损失效。活塞杆在出厂前需进行拉伸、弯曲、疲劳等力学性能测试。某型汽车减振器活塞杆在进行弯曲试验时,其下压位移量为15 mm时发生断裂,不满足下压位移量19 mm无裂纹的要求。该活塞杆的材料为S45C钢,主要生产工艺为：冷拔/断料→粗磨→高频表面淬火→高频回火→磨削外圆→表面研磨→微裂纹镀铬→除氢→镀后研磨等。笔者采用一系列理化检验方法对活塞杆异常断裂的原因进行了分析,并提出改进建议,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂活塞杆的宏观形貌如图1所示。由图1可知：活塞杆断裂发生在弯曲力的作用点附近,断裂处略有弯曲变形；根据断口放射状条纹的收敛、发散方向,可将断口分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区：裂纹源区呈椭圆形、银白色,与应力轴存在一定偏斜角度；裂纹扩展Ⅰ区面积小,呈圆弧形,暗灰色；裂纹扩展Ⅱ区面积大,呈银白色结晶状,放射纹清晰；扩展区的前期断面平坦,后期断面向下凹陷；瞬断区沿活塞杆圆周分布,具有剪切唇特征；断口塑性变形不明显,整体呈宏观脆性断裂。 

图  1  断裂活塞杆的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在活塞杆断口附近取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂活塞杆的化学成分符合JIS G 4051:2009 《机械结构用碳素钢》对S45C钢的要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）及能谱分析

活塞杆断口的SEM形貌如图2所示。由图2可知：裂纹源区宽度约为1.31 mm,深度约为0.57 mm,距活塞杆表面约0.32 mm,说明裂纹源区位于活塞杆的次表层；裂纹源区断面平坦,整体呈鱼眼状,心部存在直径为73 μm的球状夹杂物；裂纹扩展Ⅰ区呈撕裂的山脊状,存在二次裂纹,可见韧窝形貌；裂纹源区呈冰糖块状的沿晶断裂特征,存在沿晶二次裂纹；裂纹源区晶粒表面可观察到鸡爪纹形貌；裂纹扩展Ⅱ区可观察到河流花样和解理台阶,呈脆性解理断口形貌特征；瞬断区可观察到小而浅的剪切韧窝,这种韧窝对材料的塑性变形量贡献较小,会使断口宏观上呈脆性断裂特征,微观上呈准脆性解理断裂特征,边缘可见断裂后的镀铬层形貌。 

图  2  活塞杆断口的SEM形貌

对裂纹源区的球状夹杂物进行能谱分析,结果如图3所示。由图3可知：夹杂物主要为含Al、Ca的氧化物。 

图  3  裂纹源区球状夹杂物的能谱分析结果

1.4   金相检验

在活塞杆断口附近取样,对试样进行金相检验,结果如图4所示。由图4可知：按GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》中A法评定,活塞杆非金属夹杂物含量为AT 0.5,DT 1.5；按GB/T 6462—2005 《金属和氧化物覆盖层 厚度测量 显微镜法》测得活塞杆镀铬层厚度为20 μm,符合技术要求的（17±5） μm；活塞杆有效硬化层表层处的显微组织为较细的回火马氏体,符合JB/T 9204—2008 《钢件感应淬火金相检验》的要求；活塞杆心部的显微组织为铁素体+珠光体,说明原材料为正火态组织。 

图  4  断裂活塞杆断口处的微观形貌

1.5   硬度测试

在活塞杆断口附近横截面上取样,对镀铬层进行硬度测试,结果为925 HV,符合技术要求（≥900 HV）。依据GB/T 5617—2005 《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定》对活塞杆有效硬化层深度进行测定,绘制活塞杆表层至心部的硬度变化曲线,结果如图5所示。由图5可知：断裂活塞杆有效硬化层深度为0.9 mm,符合技术要求（0.6~1.2 mm）；活塞杆的高频淬火区由有效硬化层+过渡区组成,深度约为1.1 mm。 

图  5  活塞杆表层至心部的硬度变化曲线

2.   综合分析

由上述理化检验分析结果可知：断裂活塞杆的化学成分、镀铬层硬度和厚度、有效硬化层深度及显微组织等均符合技术要求；非金属夹杂物含量为AT0.5、DT1.5,说明原材料无明显问题。裂纹源位于活塞杆的次表层,最深处距活塞杆表面约0.89 mm,高频淬火区深度约为1.1 mm,表明裂纹源区位于高频淬火区内[1]。裂纹源区微观呈沿晶断裂特性,晶面上可观察到鸡爪纹特征,为典型的氢脆断口形貌[2-4]；裂纹扩展区微观形貌以解理断裂为主,瞬断区宏观具有剪切唇特征,因此活塞杆断裂性质为一次性大载荷脆性断裂。弯曲试验时,氢致裂纹扩展,最终导致活塞杆发生脆性断裂[5]。氢致裂纹的形成具有延迟性[6],说明在弯曲试验前裂纹已经存在。 

对活塞杆原材料入厂前分别进行了拉伸试验和低倍组织检验,检验结果均符合相关材料标准要求,未发现氢致白点缺陷,可排除原材料带入氢的可能。通过活塞杆的加工工艺可知,氢是由镀铬工艺引入的。在镀铬工艺中,氢主要以H2的形式逸出,但会有少量氢以原子形式渗入镀层和基体材料中。进入基体材料中的氢原子在随后的除氢工艺中未充分逸出,残留在材料中。由能谱分析结果可知,裂纹源区心部存在大颗粒含Al、Ca的氧化物,这种材料缺陷会成为捕获氢的陷阱。裂纹源区位于高频淬火区内,组织为回火马氏体,强度和硬度较大,对氢脆较为敏感,且该区域在镀铬前经磨削外圆、表面研磨,材料中会存在残余拉应力[7]。在高频淬火区残余应力的作用下,残留氢向夹杂物处扩散聚集,形成氢分子,当氢压达到材料的开裂强度时,材料会形成氢致裂纹。 

活塞杆镀铬层硬度、厚度符合技术要求,说明活塞杆在镀铬工艺中的电镀参数是合理的。活塞杆采用微裂纹镀铬工艺,导致镀铬层对氢的扩散阻挡作用较弱。可延长除氢处理时间,使氢充分逸出。在镀铬后尽快除氢,避免随着时间的延长,氢在基体材料内扩散聚集。氢脆是在氢和应力共同作用下产生的,可在镀铬前进行消除应力处理。 

3.   结论与建议

活塞杆在镀铬工艺中吸入了氢元素,经除氢处理后氢原子未充分逸出,氢元素在高频淬火区的夹杂物处聚集,形成氢致裂纹,在弯曲应力的作用下,裂纹不断扩展,最终导致活塞杆发生脆性断裂。 

建议采用延长除氢时间、镀后尽快除氢、镀前消除应力等方法避免氢致裂纹的产生。

文章来源——材料与测试网