汽车取力器拨叉断裂失效分析

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[摘 要]某公司材料牌号为8620H的汽车取力器拨叉在执行效率试验时发生断裂。采用化学成分分析、硬度检测、显微镜观察及能谱分析等手段对断裂拨叉进行了失效分析。结果表明：拨叉的化学成分和力学性能符合技术要求；拨叉断裂形式为疲劳断裂，主要由夹杂、夹渣、孔洞和粗大枝晶等铸造缺陷造成。

[关键词]失效分析；拨叉；硫化物夹杂；疲劳裂纹

中图分类号：TGl42.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0328-01

1. 情况简介

某公司材料牌号为8620H的汽车取力器拨叉在执行效率试验时发生非正常断裂，要求分析其断裂原因。为此，采用肉眼宏观观察、化学成分分析、硬度检测、显微镜观察和能谱分析等手段对断裂拨叉进行了失效分析。

该拨叉依据GB/T11352-2009《一般工程用铸造碳钢件》标准制造，材料牌号为8620H。工艺流程为：铸造-机加工-碳氮共渗-回火。技术要求为表面硬度：89-92HR15N；有效硬化层深：0.51～0.76mm。

2. 检验内容及分析

2.1断口宏观形貌

断裂拨叉的宏观形貌如图1（a）、（b）所示，其中一个叉脚断裂，而且两叉脚表面均发生严重磨损，这说明该拨叉是使用一段时间后才发生断裂。断口形貌如图1（c）所示，断口可以清楚地分辨出裂纹源、贝纹线的扩展区、最终木纹状瞬断区等疲劳断裂痕迹，为典型的疲劳断口[1]。

2.2 化学成分分析

在失效拨叉上取样，用光电直读光谱仪进行化学成分复检，结果见表1。各元素成分符合SAEJ1268中8620H的成分要求，说明该拨叉材质符合要求。

2.3 硬度和有效硬化层深

对拨叉未磨损部位进行表面硬度测试，结果为90HR15N，符合技术要求。根据TES-003《热处理零件的金相要求》的规定，取表面至513HV处的垂直距离作为有效硬化层深度。从距渗层表面0.08mm起，每隔0.1mm打一显微硬度点，连续打9点，有效硬化层深为0.68mm，且整个渗层的硬度分布均匀，过度平缓，符合碳氮共渗工艺的技术要求。

2.4 金相分析

在拨叉断裂面进行金相分析，磨抛后在4%硝酸酒精溶液中腐蚀，在光学显微镜下观察，边部为组织为针状回火马氏体加残余奥氏体，心部组织为板条状回火马氏体，未发现缩孔、缩松或气孔等铸造缺陷，也未发现明显的组织偏析现象，符合碳氮共渗淬回火的工艺要求。

2.5 断口微观形貌

使用扫描电镜对断口进行观察，如图2（a）所示，疲劳源为准解理断口形貌；放大后发现一些不规则形状的大颗粒夹杂物和大量的沿晶裂纹，见图2（b）；对图2（b）中谱图1所示的夹杂物大颗粒使用能谱分析，为含Si、0、Al、Mg、Fe、Mn和Ca的夹杂物，这些非金属大颗粒可能是在浇注前，液态金属中的熔渣未除尽，随同液态金属进入型腔，或铁水在输送、转包和浇注过程中不断翻滚，飞溅，使一些MgO、FeO、MnS或MnO等卷入铸件内部，形成不规则的渣或非金属夹杂[4]。

另外，从图2（a）中还可以看到在裂纹扩展区有大量的孔隙，该区域放大后如图4（c）和（d）所示，可看到粗大的枝晶和大量的夹渣，并且呈局部聚集态分布。这是由于零件在铸造过程中气体常吸附在夹渣中，气体在析出时，分布于晶界或粗大的枝晶之间。由于结晶的骨架已形成，细小气孔不易聚集长大，且补缩通道已被堵塞，从而形成孔隙。图4（d）中的夹渣经能谱分析，结果表明，这些夹渣含有Si、S、0、Al、Fe、Mg、Ca和Mn等元素。众所周知，S、Ca和Mn等元素能引起晶界脆化，虽然拨叉材料成分符合标准，但在微观区域这些元素有可能会发生偏聚，而引起局部晶界脆化，脆化的晶界其效果相当于潜在的裂纹，可以成为早期的裂纹源。另外，这些夹杂物和气孔的存在，严重的割裂基体金属，降低材料的强度和韧性，减少了铸件的有效截面积，而且在使用中往往在这些缺陷周围造成很大的应力集中，在外应力的作用下形成裂纹源通道，严重降低零件的使用寿命。

3 分析及结论

（1）拨叉为疲劳断裂，防止缩孔和夹渣等铸造缺陷：①尽量提高铁水的出炉温度.适当静置.以利于非金属夹杂物的上浮；②尽量提高浇注铁液的纯净度，铁液表面应放覆盖剂。防止铁液氧化，优化设计浇注系统

（2）根据断口形貌及零件的使用磨损状态，拨叉是使用一段时间后发生疲劳断裂。根据断口形貌及零件的使用磨损状态，拨叉是使用一段时间后发生疲劳断裂。由于断口存在大量的夹杂、夹渣、孔洞和粗大枝晶等铸造缺陷，降低了材料的强度，减少了拨叉的有效截面积，在使用中发生非正常磨损和断裂。

参考文献

[1] 张栋，钟培道，陶春虎.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004.