50CrVA扭杆断裂原因分析.pdf

５０ＣｒＶＡ扭杆断裂原因分析５０ＣｒＶＡ扭杆断裂原因分析ＦｒａｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ５０ＣｒＶＡＴｏｒｓｉｏｎＢａｒ刘昆鹏，有移亮，张珊，张峥（北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京１００１９１）——ＬＩＵＫｕｎｐｅｎｇ，ＹＯＵＹｉｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＳｈａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）摘要：对断裂的５０ＣｒＶＡ扭杆进行断口宏微观观察、金相组织检查、硬度测试及疲劳强度校核。疲劳强度校核结果说明扭转载荷过大是扭杆疲劳断裂的主要原因。材质分析显示扭杆中含有大尺寸富ｚｎ夹杂物，它促进了疲劳裂纹的萌生，缩短了扭杆的疲劳寿命。关键词：５０ＣｒＶＡ；疲劳断裂；扭杆；夹杂物中图分类号：ＴＧ１４２．３３文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１０）０８０００５０３Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｄｔｏｒｓｉｏｎｂａｒｏｆ５０ＣｒＶＡｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅ—ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔａｎｄｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈｅｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈｅｃｋｉｎｇｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｗａｓｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｈｉｇｈｅｒｔｏｒｓｉｏｎｌｏａｄ．—ＬａｒｇｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｒｉｃｈｌｙｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＺｎｉｎｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｂａｒａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｅｄｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５０ＣｒＶＡ；ｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅ；ｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ；ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ５０ＣｒＶＡ是一种典型的弹簧钢，具有韧性好、疲劳强度高、淬透性好和热敏感性低等优点［１］。某厂生产的５０ＣｒＶＡ汽车用扭杆设计寿命为５００万次，在前期对扭杆样件进行扭转疲劳性能测试，结果部分扭杆在循环３Ｏ万次左右即发生断裂。扭杆尺寸设计如图１所示，实验频率为２．５Ｈｚ，扭转角度为±７。，转换成弧度为０．１２２ｒａｄ。实验图１扭杆尺寸设计Ｆｉｇ．１Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ１．１宏观观察扭杆在工作段１／３长度处断裂，断杆平直，没有发现明显弯曲变形，其宏观照片如图２所示。较长一侧断杆断口上有尖状突起，与其匹配的断口在体视显微镜下的宏观形貌如图３所示，由图３可见断口表面螺旋状放射花样明显，断口附近无塑性变形，凹陷顶点距断面中心０．５ｍｍ左右。图２扭杆的宏观照片Ｆｉｇ．２Ｍａｃｒｏｇｒａｐｈｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ图３断口的宏观形貌Ｆｉｇ．３Ｍａｃｒｏｇｒａｐｈｏｆｆｒａｃｔｕｒｅ６材料工程／２０１０年８期１．２断口微观观察１．２．１扫描电镜分析将扭杆断口清洗后放在扫描电镜下观察，断口及源区形貌如图４所示，可以看到断口上有两个疲劳源，每个源区在近表面都有一个凹坑，凹坑中都含有１Ｏｍ左右夹杂物。同时在断口内部也发现了一些凹坑和夹杂物，多数夹杂物尺寸在５￣２５／ｚｍ之间，如图５所示。图４扭杆断口及源区的形貌（ａ）宏观断口；（ｂ）疲劳源区１；（ｃ）疲劳源区２Ｆｉｇ．４Ｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｓｏｕｒｃｅｒｅｇｉｏｎｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ（ａ）ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｆｒａｃｔｕｒｅ；（ｂ）ｆａｔｉｇｕｅｓｏｕｒｃｅ１；（ｃ）ｆａｔｉｇｕｅｓｏｕｒｃｅ２图５扭杆断口上的凹坑和夹杂物Ｆｉｇ．５Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｈｏｌｅｓｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ１．２．２能谱分析将扭杆断口重新清洗后进行能谱分析，在不同位置进行测定，结果如表１所示。可以看出在夹杂物中ｚｎ含量比较多，这里称其为富ｚｎ夹杂物（可能是冶金过程中残留下来的）。表１扭杆断口的能谱分析（质量分数／％）Ｔａｂｋ１ＥＤＳｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒｆｒａｃｔｕｒｅ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／）ＥｌｅｍｅｎｔＦｅＺｎＭｎＯＳＩｎｃｌｕｓｉｏｎ４７．０８３７．１６０．２９１４．２３０．２ＯＭａｔｒｉｘ９４．３９００．５８３．４６０．０８１．３材质分析１．３．１金相检测在扭杆断口附近沿垂直轴向截取金相试样，用光学显微镜进行观察，如图６所示，显微组织正常，为回火索氏体加少量弥散碳化物。图６扭杆垂直轴向显微组织照片Ｆｉｇ．６Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ分别自扭杆断口两侧取轴向截面制成金相试样，用光学显微镜进行观察，显微组织没有异常，只在较短断杆一侧的腐蚀前金相样上发现了少量线状ＭｎＳ夹杂物，如图７所示。图７扭杆轴向裂纹剖面的夹杂物检测照片Ｆｉｇ．７Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｉｎａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ５０ＣｒＶＡ扭杆断裂原因分析７１．３．２硬度及强度检测在扭杆断口附近沿垂直轴向截取硬度试样，测量—其洛氏硬度为ＨＲＣ４４，根据ＧＢ１１７２１９９９将其换算，维氏硬度值为ＨＶ４２８，基本符合试样加工要求（ＨＶ３７２～４２３）。从断裂的扭杆上取拉伸试样进行非标准拉伸试验，测得其抗拉强度为１３４２ＭＰａ。２结果与讨论２．１扭杆中夹杂物的影响扭杆中存在两类夹杂物：富Ｚｎ夹杂物和ＭｎＳ夹杂物。ＭｎＳ夹杂物变形率较高，能在钢加工的各个阶段与周围基体保持同样方式的变形，使ＭｎＳ与钢基体之间界面的结合力不被破坏，因而在一般载荷情况下ＭｎＳ与钢基体之间不会产生微裂纹，也不会对钢的疲劳性能产生有害影响¨２］。富Ｚｎ夹杂物变形率较低，不能传递钢基体中存在的应力，所以容易诱发钢中的微裂纹。但是，并不是所有尺寸的低变形率夹杂物都能诱发疲劳裂纹萌生，而是存在一个Ｉ临界夹杂物尺寸。文献［３］在假定夹杂物为球形的条件下推导出一个临界夹杂物尺寸声公式：一Ｃ（１＋１２０／ＨＶ）（１）式中：ＨＶ是材料维氏硬度；Ｃ是一个与夹杂物位置有关的常数。将扭杆实测硬度值代入式（１），即可推算出不同位置的临界夹杂物尺寸，如表２所示。断口观测到的夹杂物尺寸基本在５～２５／￣ｍ，大于表２列出的材料临界夹杂物尺寸，所以扭杆的疲劳裂纹必然萌生于这些夹杂物位置。如果扭杆中此类夹杂物不能完全消除的话，可以通过降低夹杂物尺寸来延长疲劳寿命口］。另外，Ｍｅｌａｎｄｅｒ等对高强度弹簧钢的疲劳测试结果说明：裂纹萌生于表面或极接近表面夹杂物的试样疲劳寿命较短，裂纹萌生于次表面夹杂物位置的试样疲劳寿命较长，即夹杂物越靠近表面，疲劳寿命越短。因此除去扭杆表面及近表面夹杂物，也可以在一定程度上延长其疲劳寿命。表２扭杆的临界夹杂物尺寸Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｚｅｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂａｒ２．２扭杆的疲劳强度校核—已知扭杆剪切应力ｒＴ／Ｗ，其中丁为扭矩，ｗ为抗扭截面系数。将扭转角计算公式一ＴＩ／ＧＩｒ变—换形式可得ＴｐＧＩ／ｚ，其中为两截面间的扭转角度，Ｇ为切变模量，为极惯性矩，ｚ为两截面间距离。将试样扭转角度一０．１２２ｒａｄ，扭杆工作段长度／％６８ｍｍ，扭杆实测直径ｄ一５．１３ｍｍ弹簧钢］的切—变模量ＧＥ／２（１＋ｆ１）＝＝＝７．９２×１０ＭＰａ代入剪切应力计算公式可得试样扭转疲劳试验过程中实际扭矩Ｔ＞９．６６Ｎ・ｍ，剪切应力ｒ＞３６４．７ＭＰａ。对于钢来说，剪切疲劳极限ｒ一与抗拉强度之间的经验公式为：——Ｌ１０．５５ａ１，１０．３～０．５ａｂ（２）式中为材料的对称弯曲疲劳极限。无限寿命设计中，对称扭转疲劳的安全系数公式为：ｔ一㈣式中：Ｋ为扭转时的有效应力集中系数；￡为尺寸系数；口为表面系数为扭杆实际所受剪切应力。本实验分析的扭杆为表面抛光的标准圆截面试—样，Ｋ一１．０，￡一１．０，』９１．０，所以式（２）可以简化为：一Ｌｌ／３（４）将ｒ＞３６４．７ＭＰａ，＝１３４２ＭＰａ代入式（２）和式（４）得扭杆，ｚ＜Ｏ．６０７～１．０１２。一般轧制与锻造钢件以疲劳极限为基准的许用安全系数［］一一１．５～２．５，文献［８，９］对汽车扭杆的优化设计中都取ｎ一１．２５，对比说明实验设计的安全系数偏小，扭杆实际所受剪应力超过了其许用应力值，致使疲劳寿命降低。所以扭转疲劳试验不能达到预期疲劳寿命最主要的原因是疲劳试验时所选的扭转角度过大。适当降低扭转角度或者重新设计扭杆尺寸，使疲劳实验中扭杆所受剪切应力降低到合理水平，即可得到满意的扭杆疲劳寿命。３结论（１）显微组织、硬度及金相夹杂物检测说明扭杆的材质基本没有问题。（２）扭杆断裂主要由过大的疲劳扭转载荷造成，在上述疲劳实验条件下５０ＣｒＶＡ扭杆达不到规定的疲劳寿命。（３）扭杆中含有的富Ｚｎ夹杂物在一定程度上加速疲劳裂纹的萌生和扩展，促进疲劳总寿命的降低。参考文献［１］李春胜，黄德彬．金属材料手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．２９５．（下转第１１页）电子束熔炼多晶硅对杂质铝去除机制研究１ｌ从上述实验可以看出，电子束熔炼可以将杂质铝降低到１Ｏ，达到太阳能级硅的要求。综合电子束除磷的效果，表明用电子束熔炼定向凝固后的多晶硅，可以在去除磷的基础上进一步降低杂质铝的含量，有效降低了定向凝固提纯的次数，节约了成本。３结论（１）硅中铝的蒸发系数＞１０，可以通过蒸发的方式，采用电子束熔炼加以去除。（２）去除铝的速率决定环节是铝原子扩散到表面的速度，提高硅熔体中铝原子的扩散速度将提高其去除效果。（３）铝的去除伴随着硅的蒸发，受熔炼温度影响很大，熔炼温度越高，降低到同样程度的铝含量所对应的硅损失量就越大。参考文献［ｉ］２００８年中国多晶硅行业发展研究报告Ｉ－Ｒ］．北京：电子材料行业协会，２００９．“［２］杨玉安．多晶硅产业化技术研究发展建议［Ａ］．多晶硅材料十一”五科技发展战略研讨会论文集［ｃ］．北京：电子材料行业协会，—２００５．４５５５．—［３］ＹＵＧＥＮ，ＡＢＥＭ，ＨＡＮＡＺＡＷＡＫ．Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｇｒａｄｅｓｉｌｉｃｏｎｕｐｔｏｓｏｌａｒｇｒａｄｅ［Ｊ］．ＰｒｏｇＰｈｏｔｏｖｏｈ：ＲｅｓＡｐｐｌ，—２００１，９（３）：２０３２０９．Ｉ－４］ＢＲＡＧＡＡＦＢ，ＭＯＲＥＩＲＡＳＰ，ＺＡＭＰＩＥＲＩＰＲ，ｅｔａ１．Ｎｅｗｐｒｏｃｅｓｓｅｓｆｏｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｌａｒ－ｇｒａｄｅｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎ：ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＳｏｌＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒＳｏｌＣｅｌｌｓ，２００８，９２（４）：４１８－－４２４．［５］姜大川，谭毅，董伟，等．电子束束流密度对冶金硅中杂质磷的影—响ＥＪ３．材料工程，２０１０，（３）：１８２１．［６］王占国，陈立泉，屠海令．机械工程大辞典：第７卷［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００６．６７７．—［７］ＭＩＹＡＫＥＭ，ＨＩＲＡＭＡＴＳＵＴ，ＭＡＥＤＡＭ．Ｒｅｍｏｖａｌｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｎｄａｎｔｉｍｏｎｙｉｎｓｉｌｉｃｏｎｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｍｅｌｔｉｎｇａｔｌｏｗ—ｖａｃｕｕｍ［Ｊ］．ＪＪｐｎＩｎｓｔＭｅｔ，２００６，７０（１）：４３４６．［８］韩其勇．冶金过程动力学［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，Ｉ９８３．—１９９２００．—［９］ＴＡＫＡＨＩＲＯＭ，ＫＡＺＵＫＩＭ，ＮＯＢＵＯＳ．Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ，ｍａｇｎｅｓｉｕｍ．ａｎｄｃａｌｃｉｕｍｉｎｍｏｌｔｅｎｓｉｌｉｃｏｎ［Ｊ］．—ＭｅｔａｌｌＭａｔｅｒＴｒａｎｓＢ，１９９８，２９：１０４３１０４９．［１Ｏ］ＯＨＲＩＮＥＲＥＫ．Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｒｉｄｉｕｍｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｍｅｌｔｉｎｇ—［Ｊ］．ＪＡｌｌｏｙｓＣｏｍｐｄ，２００８，４６１（２）：６３３６４０．—［１１］ＨＡＮＡＺＡＷＡＫ，ＹＵＧＥＮ，ＫＡＴＯＹ．Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｉｎｍｏｌｔｅｎｓｉｌｉｃｏｎｂｙａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．—ＭａｔｅｒＴｒａｎｓ，２００４，４５（３）：８４４８４９．［１２］ＭＩＫＩＴ，ＭＯＲＩＴＡＫ，ＳＡＮＯＮ．Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ—ｉｎｍｏｌｔｅｎｓｉｌｉｃｏｎ［Ｊ￣．ＭｅｔａｌｌＭａｔｅｒＴｒａｎｓＢ，１９９６，２７：９３７９４１．基金项目：辽宁省重大攻关计划资助项目（２００６２２２００７）————收稿日期：２００９０７１２；修订日期：２０１００４０１作者简介：姜大川（１９８３一），男，在读博士，研究方向：电子束提纯多晶—硅，联系地址：大连理工大学新三束实验室２ｌＯ（１１６０８５），Ｅｍａｉｌ：ｔａｎｙｉ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米来米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米（上接第７页）Ｅ２］惠卫军，董瀚，陈思联．非金属夹杂物和表面状态对高强度弹簧钢—疲劳性能的影响［Ｊ］．特殊钢，１９９８，１９（６）：８１４．Ｅ３］ＺＨＡＮＧＪＭ，ＬＩＳＸ，ＹＡＮＧＺＧ，ｅｔａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎ—ｓｉｚｅｏｎｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｓｉｎｔｈｅｇｉｇａｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｒｅｇｉｍｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２００７，２９（４）：７６５—７７１．［４］ＭＥＬＡＮＤＥＲＡ，ＬＡＲＳＳＯＮＭ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｎ—ｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｉｎａｓｐｒｉｎｇｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａ—ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，１９９３，１５（２）：１１９１３１．［５］黄飞，侯友夫，牛超超，等．基于遗传算法的盘式制动器碟形弹簧—优化设计［Ｊ］．机械设计与制造，２００９，（５）：２７２９．［６］胡世炎．机械失效分析手册［Ｍ］．成都：四川科学技术出版社，—１９９９．２２６２２８．［７］王学颜，宋广惠．结构疲劳强度设计与失效分析［Ｍ］．北京：兵器—工业出版社，１９９２．２４２７．［８］张国玉．汽车扭杆悬架及扭杆弹簧的优化设计［Ｊ］．四川Ｉ工业学院—学报，１９８９，８（２）：１２２１２７．［９］李骏，郭厚煜．汽车扭杆弹簧及扭杆悬架的优化设计［Ｊ］．华东交—通大学学报，２０００，１７（３）：５８６２．————收稿日期：２００９０７０６；修订日期：２０１００４１７作者简介：刘昆鹏（１９８１一），女，博士研究生，主要从事金属疲劳损伤检测方面的研究，联系地址：北京市海淀区学院路３７号北京航空航天大—学１系８研（１００１９１），Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｌｉｕｋｕｎｐｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：张峥，教授，主要从事失效分析预测预防研究，联系地址：北—京市海淀区学院路３７号北京航空航天大学１系８研（１００１９１），Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｈ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ